基于天基自主光学观测的深空目标天体初定轨方法技术

本发明专利技术公开的一种基于天基自主光学观测的深空目标天体初定轨方法，涉及深空天体光学自主初定轨方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术实现步骤如下：1、获得探测器对目标天体的测角信息(赤经β，赤纬ε)；2、在日心惯性坐标系下建立目标天体的轨道动力学方程；3、利用步骤1解算出的目标天体角位置信息以及已知的探测器轨道参数信息建立探测器自主初定轨的观测条件方程组；4、利用牛顿同伦路径跟踪算法解算目标天体轨道要素信息，实现初定轨；本发明专利技术在深空探测器导航领域实现实时精确获得目标天体的位置和速度信息，本发明专利技术在降低了初值敏感度的同时，提高了收敛速度、解算成功率和计算效率，进而提高定位效率；本方法的测量装置简单，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于深空探 测
。
技术介绍
未来的小天体（如小行星、彗星等）探测及防御需要实现对天体目标的实时定位。 初轨确定，是实现目标天体轨道确定最基本的步骤，通过一定的定轨方法可以实现对目标 轨道的初步确定、跟踪及精确定轨，而这必须以定轨方法提供有效的轨道参数为前提。因 此，构建可以高效、精确确定目标天体位置和速度的定轨方法是天体监测任务成功的基础。 以往的深空天体定轨均采用地面天文站或近地航天器的方式测量深空天体的角 位置信息。地面天文站或近地航天器利用天文望远镜对天体目标进行光学测量，得到其角 位置信息，再利用建立的观测方程解算出目标的位置与速度信息，从而确定了其轨道。然 而，由于深空目标的远距离造成了测量延迟、观测几何较差，并且由于其它星体的遮挡及地 球自转造成测量的不连续性，使得不能实时精确确定深空目标的轨道信息。 为了实时确定目标的轨道信息，需要对目标进行较近距离（0.IAU内）的观测，探 测器可以采用飞越或以太阳为中心天体的环绕轨道。由于探测器的位置、速度可以精确确 定，因此可以利用光学测量得到的角度信息，并结合牛顿同伦路径跟踪算法，实现对目标天 体在日心黄道惯性坐标系下的位置和速度的初步估计，为未来深空天体探测防御任务提供 技术支持和参考。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是在深空探测器导航领域实现实时精确获得目标天体 的位置和速度信息，公开了一种，该方 法在降低了初值敏感度的同时，提高了收敛速度、解算成功率和计算效率，进而提高定位效 率，此外，本方法的测量装置简单，易于实现。 本专利技术的一种，具体实现步骤 如下： 步骤1 :将光学导航相机固连在探测器上，当探测器进入巡航段之后或在以太阳 为中心的环绕轨道上时，通过光学导航相机捕捉到目标天体，获得探测器对目标天体的测 角信息（赤经β，赤纬ε)用于步骤3中解算出目标天体的位置和速度信息。 由于本专利技术的仅需要角度测 量信息，测量角度信息只需将光学导航相机固连在探测器上，无需其他复杂测量装置，因而 本方法的测量方案简单，易于实现。 步骤2 :在日心黄道惯性坐标系下建立目标天体的轨道动力学方程。 在日心黄道惯性坐标系下，目标天体状态X包括位置矢量r= [x，y，z]T、速度矢量 L/1N丄I Ud rt 7 ur · / v I _ 厶/ U J/<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于天基自主光学观测的深空目标天体初定轨方法，其特征在于：具体实现步骤如下，步骤1：将光学导航相机固连在探测器上，当探测器进入巡航段之后或在以太阳为中心的环绕轨道上时，通过光学导航相机捕捉到目标天体，获得探测器对目标天体的测角信息(赤经β，赤纬ε)用于步骤3中解算出目标天体的位置和速度信息；步骤2：在日心黄道惯性坐标系下建立目标天体的轨道动力学方程；在日心惯性坐标系下，目标天体状态X包括位置矢量r＝[x,y,z]T、速度矢量v=[vx,vy,vz]T=[x.,y.,z.]T;]]>目标天体的轨道动力学方程X.=f(X)]]>为：r.=v]]>r..=-μsr3+Σi=1npμi[rrirri3-rpirpi3]-AGmr3r+fa---(1)]]>其中，r和v分别为目标天体在日心黄道惯性坐标系的位置和速度矢量，且r＝||r||，rpi为第i个摄动行星在日心黄道惯性坐标系的位置矢量，且rpi＝||rpi||，rri为第i个摄动天体相对目标天体的位置矢量，即rri＝rpi‑r且rri＝||rri||，μs＝1.327178×1020m3/s2为太阳引力常数，μi为第i个摄动天体的引力常数，np为摄动天体的个数，A为目标天体的有效面积，m为目标天体质量，G为日光流量常数，fa为目标天体受到的未考虑到的摄动加速度；在式(1)的第二式中，右边第一项是中心天体太阳引力引起的加速度，第二项是第三体引力加速度的总和，第三项是太阳光压，最后一项表示作用在目标天体上的其它附加加速度；对于初定轨问题，仅考虑二体运动，即仅考虑式(1)第二式的第一项；式(1)用于轨道递推，并根据拉格朗日级数公式得到步骤3中的f,g级数；步骤3：利用步骤1解算出的目标天体角位置信息以及已知的探测器轨道参数信息建立探测器自主初定轨的观测条件方程组；设探测器对目标天体的测角信息(赤经β，赤纬ε)为：ti，βi，εi,(i＝1,2,…,m)，m为观测次数，探测器的位置矢量为Ri(Xi,Yi,Zi),则历元ti探测器对目标天体视线的方向余弦为：ai＝cosεi cosβibi＝cosεi sinβi               (2)ci＝sinεi探测器对目标天体初定轨的观测条件方程组为：F(XT0)＝M(XT0,t0,t)＝0           (3)其中，M(XT0,t0,t)=c1X1-a1Z1c1Y1-b1Z1...cmXm-amZmcmYm-bmZm-f1c1x0-f1a1z0+g1c1x.0-g1a1z.0f1c1y0-f1b1z0+g1c1y.0-g1b1z.0...fmcmx0-fmamz0+gmcmx.0-gmamz.0fmcmy0-fmbmz0+gmcmy.0-gmbmz.0,]]>XT0=[r0,v0]T=[x0,y0,z0,x.0,y.0,z.0]T]]>为目标天体在历元t0的状态矢量，为历元ti目标天体相对探测器的的单位视线矢量，fi和gi为历元ti目标天体f,g级数公式的系数，fi＝1‑a(1‑cos△Ei)/r0，gi=a·r0sinΔEi+a(r0r.0)(1-cosΔEi)=Δt-(ΔEi-sinΔEi)/n,]]>r0＝||r0||为目标天体到太阳的距离，a为目标天体的轨道半长轴，△E为观测时刻与参考时刻的真近心点角之差，为目标天体的平均角速度；步骤4：利用牛顿同伦路径跟踪算法解算目标天体轨道要素信息，实现基于天基自主光学观测的深空目标天体初定轨；根据步骤2中的观测条件方程组，构造牛顿同伦方程组：H(t,X)＝F(X)+(t‑1)F(XT0)＝0        (4)式(5)同伦方程组的解X＝X(t)，等价于求解微分方程组：∂H(t(s),X(s))∂X·∂X(s)∂s+∂tH(t(s),X(s))∂t·∂t(s)∂s=0(t(0),X(0))=(0,XT0)---(5)]]>其中，从点(0,XT0)出发的同伦路径曲线为λ(s)＝(t(s),X(s))，0≤s≤s0，λ(0)＝(t(0),X(0))＝(0,XT0)，s为弧长参数；以弧长s为参数描述同伦路径曲线，定义该曲线的切向量它满足：∂H(λ)∂λ·υ=0||v||2=1---(6)]]>求解线性方程组(6)得到两个方向相反的切向量，选取其中一个切向量作为当前路径点的切向量，选取条件为：与上一路径点切向量的...

【技术特征摘要】
1. 一种基于天基自主光学观测的深空目标天体初定轨方法，其特征在于：具体实现步 骤如下， 步骤1 :将光学导航相机固连在探测器上，当探测器进入巡航段之后或在以太阳为中 心的环绕轨道上时，通过光学导航相机捕捉到目标天体，获得探测器对目标天体的测角信 息（赤经β，赤纬ε)用于步骤3中解算出目标天体的位置和速度信息； 步骤2:在日心黄道惯性坐标系下建立目标天体的轨道动力学方程； 在日心惯性坐标系下，目标天体状态X包括位置矢量r= [x，y，z]T、速度矢量 V=vx，vv,v_ = [i，;目标天体的轨道动力学方程乂 =/(X)为：其中，分别为目标天体在日心黄道惯性坐标系的位置和速度矢量，且r=I|r| |，rpi为第i个摄动行星在日心黄道惯性坐标系的位置矢量，且rpi=IIrpiIl，b为第i个摄 动天体相对目标天体的位置矢量，即=rpi-r且I^i=I|rJI,μs= 1. 327178X10 2°m3/ s2为太阳引力常数，μi为第i个摄动天体的引力常数，np为摄动天体的个数，A为目标天体 的有效面积，m为目标天体质量，G为日光流量常数，fa为目标天体受到的未考虑到的摄动 加速度； 在式（1)的第二式中，右边第一项是中心天体太阳引力引起的加速度，第二项是第三 体引力加速度的总和，第三项是太阳光压，最后一项表示作用在目标天体上的其它附加加 速度；对于初定轨问题，仅考虑二体运动，即仅考虑式（1)第二式的第一项；式（1)用于轨 道递推，并根据拉格朗日级数公式得到步骤3中的f，g级数； 步骤3:利用步骤1解算出的目标天体角位置信息以及已知的探测器轨道参数信息建 立探测器自主初定轨的观测条件方程组； 设探测器对目标天体的测角信息（赤经β，赤纬ε)为：ti，Pi,εi，（i= 1，2，···，πι)，m为观测次数，探测器的位置矢量为Ri (Xi,Yi,Zi)，则历元&探测器对目标天体视线的方向 余弦为： ^i=cosε±cosβ± h=cosεisinβi (2) Ci=sinε i 探测器对目标天体初定轨的观测条件方程组为： F(Xto) =M(XT0,t〇,t) = 0 (3) 苴由.A。=[1。,7〇,2〇，力〇,joAf'为目标天体在历元tQ的状态矢量，P丨(αΑ,?.)为历元ti目标天体相对探测器的的单位视线矢量，4和gi为历元t...

【专利技术属性】
技术研发人员：高艾，李兴国，崔平远，朱圣英，徐瑞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11