一种近地停泊轨道上深空探测器的自主天文导航方法

摘要

本发明涉及一种近地停泊轨道上深空探测器的自主天文导航方法。根据“1976美国大气标准”给出的数据对密度标尺高度H进行平流层内连续高度(20km～50km)的建模和拟合，并以此建立了星光大气折射模型，以相邻时刻视高度之差为观测量建立新的量测模型，通过采用对扩展卡尔曼滤波参数进行相应改进的方法进行导航参数的估计。本发明适用于近地停泊轨道上深空探测器的导航定位，在不增加额外观测量的基础上能够消除由环境引入的误差,保持导航精度。

主权项

一种近地停泊轨道上深空探测器的自主天文导航方法，其特征在于：针对近地停泊轨道上的深空探测器，根据“1976美国大气标准”给出的数据建立平流层内20km～50km连续高度密度标尺高度H的动态方程，并以此建立星光大气折射模型，以相邻时刻视高度之差为观测量建立新的量测模型，通过对扩展卡尔曼滤波参数进行相应的改进进行导航系统位置速度的最优估计；具体包括以下步骤：步骤一、建立近地停泊轨道上深空探测器的状态方程：式中状态矢量X(t)＝[x,y,z,v_x,v_y,v_z]^T包括探测器在地心赤道惯性坐标系中的三轴位置x，y，z和探测器在地心赤道惯性坐标系中的三轴速度v_x，v_y，v_z；为系统状态的微分项，f[X(t),t]为系统的非线性连续状态转移函数，w(t)为系统噪声，t为时间；步骤二、建立星光大气折射模型；首先利用“1976美国大气标准”给出的数据对大气压强p和大气温度T进行建模以及拟合获得相应的模型，再利用理想气体的状态方程ρ＝p/kT对大气密度进行建模和拟合，获得大气密度模型，其中k＝287，为气体常数；通过“1976美国大气标准”给出的数据对密度标尺高度H建模，列出H与所处高度h的关系方程H(h)＝C₀+C₁h+C₂h²，再利用给出的数据对H进行拟合解出C₀，C₁和C₂；把ρ和H带入公式即得星光大气折射模型，其中k(λ)为散射参数；步骤三、建立以视高度h_a为观测量的量测模型为：$h_a=\sqrt{r^2-u^2}+u\tan R-R_e-a$式中，h_a为探测器上观测的折射光线相对于地球的视高度，r为探测器的位置矢量，u＝|r·u_s|，u_s为未折射前星光的方向矢量，R为折射角，R_e为地球的平均赤道半径，a为非常小的量，能够被忽略，上述量测方程简写为Z(t)＝h[X(t),t]+v(t)；式中Z(t)＝h_a为量测量，v(t)为量测噪声；步骤四、对状态方程及量测方程进行离散化和线性化：X_k＝Φ_k,k‑1X_k‑1+W_kZ_k＝H_kX_k+L_k式中k＝1，2，…,Φ_k,k‑1为状态方程离散并线性化后的一步转移阵，H_k为k时刻的量测阵，W_k为状态方程离散并线性化后的系统噪声，其期望E[W_k]＝0，协方差阵L_k为量测方程进行离散化和线性化后的量测噪声；步骤五、建立以相邻时刻观测量即视高度之差为观测量的新量测模型：Z_k＝△Z_k＝H_kX_k‑H_k‑1X_k‑1+V_k式中H_k、H_k‑1为k、k‑1时刻的量测阵V_k为新量测模型的量测噪声，其期望E[V_k]＝0，协方差阵W_k，L_k和V_k互不相关；步骤六、用步骤四离散并线性化后的状态方程和量测方程进行相应的卡尔曼滤波，以获得近地停泊轨道上深空探测器的导航定位信息；步骤七、输出位置、速度信息：${\hat{X}}_k={\hat{X}}_{k/k-1}+K_k(Z_k-{\hat{Z}}_{k/k-1})$$\begin{array}{c}{P}_k=(I-K_k{H}_k)P_{k/k-1}{(I-K_k{H}_k)}^T+K_k{H}_{k-1}{P}_{k-1}{H}_{k-1}^T{K}_k^T+\\ K_k{H}_{k-1}{P}_{k-1}{\Phi }_{k/k-1}^T{(I-K_k{H}_k)}^T+(I-K_k{H}_k){\Phi }_{k/k-1}{P}_{k-1}{H}_{k-1}^T{K}_k^T\end{array}$式中，和P_k分别为k时刻的状态变量估计值和估计方差，其中分别是近地停泊轨道上深空探测器在X、Y、Z三个方向的位置和速度x，y，z，v_x，v_y，v_z的估计；为输出估计方差，其中p_x，p_y，p_z，分别是近地停泊轨道上深空探测器在X、Y、Z三个方向的位置和速度的估计方差。