一種火星探測器巡航段自主天文導航方法
2023-09-14 07:04:55
專利名稱：一種火星探測器巡航段自主天文導航方法
技術領域：
本發明涉及在火星探測器處於巡航段時，基於太陽、地球及火星角度信息的自主天文導航方法，是一種非常適用於火星探測器巡航段的自主導航方法。
背景技術：
火星是距離地球最近的行星，對火星進行探測有利於人類進一步認識地球、火星和太陽系的形成和演化過程。隨著我國深空探測技術的不斷發展，我國的深空探測能力不斷提升，我國已經具備探測月球以遠天體的深空探測能力。對於火星探測任務，傳統的基於地面無線電測控的導航方式存在如下缺點由於探測器距離地球遙遠，導致通訊延遲大； 地面測控設施複雜龐大，運行費用高；不適於同時對多個探測器進行導航，因此，實現探測器的自主導航是火星探測的必然趨勢。巡航段的火星探測器，由於其距離太陽和各行星的距離都較遠，用於近地逃逸軌道或行星捕獲、著陸等的自主導航方法，如基於IMU、測距測速敏感器、地面圖像等的自主導航方法都無法使用，此時天文導航是唯一有效的自主導航手段。目前可以用於火星探測器巡航段的自主導航方式主要有基於小行星的自主天文導航方法、基於脈衝星的自主天文導航方法和基於太陽和大行星的自主天文導航方法。基於小行星的自主天文導航方法是利用地火軌道之間的小行星位置信息來確定探測器的位置，但由於火星探測巡航階段可以觀測的小行星有限，且對探測器的軌道設計要求較高，因此這種方法無法保證全轉移軌道的高精度導航。基於脈衝星的自主天文導航方法是利用脈衝接收機接收宇宙空間中X射線脈衝星的脈衝到達時間，但由於目前脈衝到達時間測量精度較低，且可用於導航的X射線脈衝星數目較少，因此這種方法尚未實際應用。基於太陽和大行星的自主天文導航方法是藉助太陽和大行星的位置信息來確定探測器的位置，火星探測器在巡航段運行時，太陽、地球和火星是整個轉移過程中最易於觀測到的天體，可以提供精確的圖像信息，已有的巡航段自主天文導航方法是以太陽的視線矢量和徑向速度為量測量，由於現有方法是利用了太陽視線方向，所以系統可觀測度不高，無法在短時間內得到可靠、準確的導航信息，而且由於使用的太陽敏感器在成像過程受探測器姿態約束，而導航濾波中需要探測器估計姿態確定量測預測值，姿態估計信息與真實姿態之間存在誤差，因此探測器的姿態估計誤差會造成較大的量測預測誤差，最終影響探測器的定位精度。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服基於小行星和脈衝星自主導航方法中導航小行星或導航脈衝星數量少、精度低、對探測器軌道設計要求高等缺點，彌補現有方法觀測太陽視線方向和徑向速度受探測器姿態約束這一不足，為火星探測器巡航段提供一種高精度的自主天文導航方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案為建立高精度的火星探測器的狀態模型，通過太陽敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器獲得太陽、地球、火星及恆星的像元像線信息，之後把像元像線信息轉換為方向矢量，建立太陽、地球和火星與恆星之間角度信息的量測模型，並使用Unscented遞推最小方差估計方法獲得火星探測器的位置和速度參數，使用q-method方法獲得火星探測器的姿態參數，最終為處於巡航段的火星探測器提供位置、速度和姿態導航信息。具體包括以下步驟1.建立基於圓形限制性四體模型的火星探測器巡航段導航系統狀態方程；採用圓形限制性四體模型，考慮太陽中心引力、火星中心引力和地球中心引力對
探測器的作用，選取日心黃道慣性坐標系，可得火星探測器的狀態模型為 y=Vy
權利要求
1. 一種火星探測器巡航段的自主天文導航方法，其特徵在於首先根據圓形限制性四體模型建立火星探測器的狀態模型，再利用敏感器獲得太陽、地球、火星和恆星的像元像線信息，之後把像元像線轉換為角度信息，建立太陽、地球及火星與恆星之間角度信息的量測模型，其中使用q-method姿態估計方法聯合Unscented遞推最小方差估計確定火星探測器的姿態、位置和速度；具體包括以下步驟①建立基於圓形限制性四體模型的火星探測器巡航段導航系統狀態方程；考慮太陽中心引力、火星中心引力和地球中心引力對探測器的作用，選取日心黃道慣性坐標系，可得火星探測器的狀態模型
全文摘要
本發明涉及一種火星探測器巡航段自主天文導航方法。根據圓形限制性四體軌道動力學模型建立火星探測器的狀態模型；利用太陽敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器獲得太陽、地球、火星以及恆星的像元像線信息，把所獲得的像元像線信息轉換為太陽、地球、火星的角度信息，建立太陽、地球和火星的角度信息量測模型；並使用q-method方法估計探測器姿態信息，結合Unscented遞推最小方差估計估計火星探測器的位置和速度。本發明估計精度高，非常適用於火星探測器巡航段自主導航。本發明屬於航天導航技術領域，不僅可以為火星探測器提供高精度導航參數，而且可為其自主導航系統設計提供參考。
文檔編號G01C21/02GK102175241SQ20111000664
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者吳偉仁, 寧曉琳, 房建成, 白鑫貝, 馬辛 申請人:北京航空航天大學