本发明专利技术涉及一种基于小行星交会的深空探测器自主天文导航方法。根据圆形限制性轨道动力学模型建立深空探测器的状态模型；利用敏感器获得小行星以及背景恒星的像元像线信息，把所获得的像元像线信息转换为小行星以及背景恒星的角度信息，建立小行星的角度信息量测模型；结合自适应Unscented卡尔曼滤波估计深空探测器的位置和速度。本发明专利技术具有估计精度高，非常适用于与小行星交会期间的自主导航。本发明专利技术属于航天导航技术领域，不仅可以为深空探测器提供高精度导航参数，而且可为其自主导航系统设计提供参考。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及在深空探测器与小行星交会阶段，基于小行星角度信息的自主天文导航方法，是一种非常适用于与小行星交会段深空探测器的自主导航方法。
技术介绍
在太阳系中，大约140000颗以上的小行星聚集在火星和木星轨道之间，还有一部分小行星运行于地球和火星轨道之间，成为近地小行星。小行星和彗星等小天体保留着太阳系早期的许多信息，是研究太阳系起源与演化的重要物证；通过在小行星上寻找水和有机物存在的证据，有助于理解地球和太阳系内生命的起源与演化。近年来小行星探测越来越受到重视。由于深空探测一般采用多科学探测任务，往往在一次深空任务中，通过精确的轨道设计，实现在飞向目标大行星的轨道转移过程中，实现与小行星交会，完成大行星和小行星共同探测的目标。由于这种深空探测任务对深空探测器的导航品质要求高，若这一阶段导航误差大，无法及时通过轨道控制系统调整探测器的轨道，错过了轨道机动的最佳时机，就有可能无法与小行星交会，实现共同探测的目标，导致深空探测任务失败。深空探测任务距离地球遥远，通讯延迟大，地面测控设施复杂庞大，运行费用高， 而且地面天文望远镜获得的小行星的星历并不准确，误差较大，传统的基于地面无线电测控的导航方式是通过地面轨道预报，结合小行星的星历给深空探测器发送轨道导航控制命令，但由于深空探测任务无线电通信延迟特性和巨大的星历误差，导致基于地面无线电测控的导航方式不能实时为探测器提供准确的导航信息，因此，实现深空探测器的自主导航是深空探测的必然趋势。与小行星交会阶段的深空探测器，由于其距离太阳和各行星的距离都较远，用于近地逃逸轨道或行星捕获、着陆等的自主导航方法，如基于IMU、测距测速敏感器、地面图像等的自主导航方法都无法使用，此时天文导航是唯一有效的自主导航手段。目前根据所观测天体的不同，深空探测器在转移轨道上的自主天文导航方法大致可分为三种基于太阳和大行星的自主天文导航方法、基于脉冲星的自主天文导航方法和基于小行星的自主天文导航方法。前两种方法是利用太阳和大行星或者脉冲星进行定位， 但是由于天体距离远，测量精度低，可观测的脉冲星数目少，因此对于小行星交会段的深空探测器并不适用。基于小行星的自主天文导航方法是借助小行星的位置信息对探测器进行定位。因此以火星以远(包括火星)的深空天体作为探测目标的深空探测器，考虑到与小行星交会的特殊性，可以通过观测多颗小行星获取探测器的位置信息，消除小行星星历误差对探测器导航的影响，实现探测器转移轨道小行星交会段的高精度导航。传统上利用小行星测量信息的深空探测器自主导航存在以下缺点一方面传统利用小行星测量信息的深空探测器是采用小行星图像的像元像线这一测量信息，但是像元像线量测模型受探测器姿态估计精度的约束，姿态估计的精度直接影响了深空探测器的自主导航精度；另一方面传统上是利用批处理最小二乘等方法减小系统的随机误差，但最小二乘估计方法的精度较低，无法为探测器导航提供高精度的导航信息。对于自主天文导航这种非线性系统而言，在有限维系统中无法从根本上获得最优的滤波算法，现有的解决系统非线性问题的方法都属于次优非线性估计。现有的次优非线性估计方法如精度较高的非线性卡尔曼滤波方法等是建立在状态模型和量测模型的误差分布特性已知的且状态量的先验信息完备的前提下，如果状态和量测误差分布特性不准确，如量测信息以及未建模的加速的误差等动力学模型误差不准确，则将产生巨大的导航误差。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服基于太阳与大行星及其卫星和脉冲星自主导航方法中太阳和行星及其卫星到探测器的距离较远或导航脉冲星数量少、精度低、对探测器轨道设计要求高等缺点，弥补传统上观测小行星像元像线量测信息受探测器姿态约束这一不足，并解决系统无法为现有的次优非线性估计方法如Unscented卡尔曼滤波提供准确的状态模型和量测模型的误差分布特性和状态量的先验信息，为深空探测器在与小行星交会阶段提供一种高精度的自主天文导航方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案为建立高精度的深空探测器状态模型，通过敏感器获得小行星及其相应图像中的背景恒星像元像线信息，之后把像元像线信息转换为方向矢量，建立小行星与背景恒星之间角度信息的量测模型，其中使用自适应 Unscented卡尔曼滤波估计模型误差方差阵Q，并结合估计的模型误差方差阵Q确定深空探测器的导航参数。具体包括以下步骤1.建立基于轨道动力学的小行星交会段深空探测器状态模型；在太阳系内的深空探测任务小行星都处于地球与木星轨道之间的区域，因此需要考虑太阳中心引力、木星中心引力、火星中心引力和地球中心引力对探测器的作用，选取日心黄道惯性坐标系，可得深空探测器的状态模型为 权利要求1.一种基于小行星交会段的深空探测器自主天文导航方法，其特征在于首先根据轨道动力学模型建立基于小行星交会段深空探测器的状态模型，并根据小行星敏感器图像中小行星与背景恒星之间的位置关系建立量测模型，利用小行星敏感器获得第一小行星及其背景恒星、第二小行星及其背景恒星的像元像线信息，之后把像元像线转换为角度信息量测量，结合自适应Unscented卡尔曼滤波确定深空探测器的姿态、位置和速度；具体包括以下步骤①建立基于轨道动力学的小行星交会段深空探测器状态模型；考虑太阳中心引力、火星中心引力、地球中心引力和木星中心引力对探测器的作用，选取日心黄道惯性坐标系，可得小行星交会段深空探测器的状态模型2.根据权利要求1所述的一种基于小行星交会段的深空探测器自主天文导航方法，其特征在于所述的步骤⑤中自适应Unscented卡尔曼滤波方法采用自适应估计状态模型误差方差算法，具体步骤为①初始化窗口系数Y②自适应调节窗口大小Y 性能指标函数为全文摘要本专利技术涉及。根据圆形限制性轨道动力学模型建立深空探测器的状态模型；利用敏感器获得小行星以及背景恒星的像元像线信息，把所获得的像元像线信息转换为小行星以及背景恒星的角度信息，建立小行星的角度信息量测模型；结合自适应Unscented卡尔曼滤波估计深空探测器的位置和速度。本专利技术具有估计精度高，非常适用于与小行星交会期间的自主导航。本专利技术属于航天导航
，不仅可以为深空探测器提供高精度导航参数，而且可为其自主导航系统设计提供参考。文档编号G01C21/24GK102168980SQ20111000663公开日2011年8月31日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日专利技术者吴伟仁, 宁晓琳, 房建成, 白鑫贝, 马辛 申请人:北京航空航天大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于小行星交会段的深空探测器自主天文导航方法，其特征在于：首先根据轨道动力学模型建立基于小行星交会段深空探测器的状态模型，并根据小行星敏感器图像中小行星与背景恒星之间的位置关系建立量测模型，利用小行星敏感器获得第一小行星及其背景恒星、第二小行星及其背景恒星的像元像线信息，之后把像元像线转换为角度信息量测量，结合自适应Ｕｎｓｃｅｎｔｅｄ卡尔曼滤波确定深空探测器的姿态、位置和速度；具体包括以下步骤：①建立基于轨道动力学的小行星交会段深空探测器状态模型；考虑太阳中心引力、火星中心引力、地球中心引力和木星中心引力对探测器的作用，选取日心黄道惯性坐标系，可得小行星交会段深空探测器的状态模型：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｆｅｎｃｅｄｏｐｅｎ＝＇｛＇ｃｌｏｓｅ＝＇＇）?（ｍｔａｂｌｅ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖｅｒ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｖ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖｅｒ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｖ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｙ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ｚ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖｅｒ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｖ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｚ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ｖ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆ｍｕ；（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｓ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｒ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｐｓ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆ｍｕ；（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｍ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）［（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｒ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｐｍ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｒ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｓｍ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）］（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆ｍｕ；（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｅ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）［（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｒ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｐｅ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｒ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｓｅ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）］（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆ｍｕ；（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）［（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｒ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｐｊ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｘ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）ｒ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｓｊ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）］（／ｍｏ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｗ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｘ...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟仁，马辛，宁晓琳，房建成，白鑫贝，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11
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