一种基于可观测性分析的深空探测器自主导航方法

摘要

本发明涉及一种基于可观测性分析的深空探测器自主导航方法，属于深空探测技术领域。本方法将可观测性分析与基于光学测量的自主导航方案相结合，利用光学测量构建自主导航方案，通过可观测性分析，选取最优导航星，使得导航系统可观测性最强，以实现导航性能最优化。本发明采用光学测量手段提供导航信息，功耗低、精度高、自主性强；结合可观测性分析对导航星进行选择，使得导航系统可观测性最强，保证导航性能；利用非线性滤波器进行导航滤波解算，提高了导航滤波的精确性及收敛性。

主权项

一种基于可观测性分析的深空探测器自主导航方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：在日心惯性坐标系下建立深空探测器巡航段动力学模型；探测器的状态矢量为位置矢量和速度矢量考虑太阳引力、行星引力以及其他摄动力，深空探测器巡航段的动力学模型建立为：$\stackrel{·}{x}=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{·}{r}}_s\\ {\stackrel{·}{v}}_s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_s\\ -{\mu }_S\frac{r_s}{r_s^3}-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\mu }_{Mi}(\frac{r_{Msi}}{r_{Msi}^3}-\frac{r_{Mi}}{r_{Mi}^3})+a\end{array}\right]---\left(1\right)$其中N表示对探测器动力学模型具有影响的行星个数，μ_S和μ_Mi分别为太阳和第i颗行星的引力常数，r_Mi为第i颗行星在日心惯性坐标系中的位置矢量，a为其他未建模摄动力矢量；r_Msi为探测器相对于第i颗行星的位置矢量，满足：r_Msi＝r_s‑r_Mi,i＝1,…,N          (2)将深空探测器巡航段动力学模型描述为其中f(x)为状态方程矢量，x＝[r_s^T,v_s^T]^T；步骤2：建立自主导航测量模型；在可选导航星集合S中随机选取多组不同的导航星组合；每组导航星数量相同，均为M；对每组导航星组合分别建立自主导航测量模型；对任意一组导航星，其自主导航测量模型的具体建立方法为：用光学导航相机对导航星进行光学测量，得到第j颗导航星在相机坐标系中的方向单位矢量n_cj；同时通过相机安装角及探测器姿态角，确定探测器本体坐标系到相机坐标系的转移矩阵C_CB以及日心惯性坐标系到探测器本体坐标系的转移矩阵C_BI；得到n_cj的光学测量方程$n_{cj}=C_{CB}{C}_{BI}\frac{r_s-r_{nj}}{|r_s-r_{nj}|}+{ϵ}_j,j=1,...,M---\left(3\right)$式中r_nj为第j颗导航星在日心惯性坐标系中的位置矢量；ε_j为第j颗导航星的测量误差矢量；进而自主导航测量模型描述为$y={\left[\begin{array}{ccc}{n}_{c1}^T,& ...& n_{cM}^T\end{array}\right]}^T+{\left[\begin{array}{ccc}{ϵ}_1^T,& ...& {ϵ}_M^T\end{array}\right]}^T=h\left(r_s\right)+ϵ---\left(4\right)$其中h(r_s)为测量方程矢量。步骤3：分别计算多组导航星组合的可观测度；基于步骤1得到的动力学模型及步骤2得到的多组自主导航测量模型y＝h(r)+ε，分别计算多组导航星组合的可观测度；具体方法为：在当前状态x利用Taylor级数展开，并只保留线性项：$\begin{array}{cc}\Delta \stackrel{·}{x}=A\Delta x,& A=\frac{\partial f\left(x\right)}{\partial x}{|}_{x=\bar{x}}\\ \Delta y=C\Delta x,& C=\frac{\partial h\left(x\right)}{\partial x}{|}_{x=\bar{x}}\end{array}---\left(5\right)$其中利用线性化动力学系统构建可观测性矩阵为$O_{x=\bar{x}}={\left[\begin{array}{cccc}{C}^T,& A^T{C}^T,& ...,& {\left(A^T\right)}^5{C}^T\end{array}\right]}^T---\left(6\right)$定义导航星组合的可观测度为$D=\det \left(O_{x=\bar{x}}^T{O}_{x=\bar{x}}\right)---\left(7\right)$步骤4：选取最优导航星；通过步骤2得到的可观测度，选择最优导航星，确定导航采用的最终自主导航测量模型y_final＝h_final(r_s)+ε，结合导航滤波计算对探测器状态进行估计；具体方法如下：导航滤波器对导航系统的k时刻状态一步预测值为将此一步预测值代入每组导航星组合的可观测度，取可观测度最大值所对应的导航星组合为最优导航星，即满足$\begin{array}{cc}\max & D=\det \left(O_{x={\hat{x}}_{k|k-1}}^T{O}_{x={\hat{x}}_{k|k-1}}\right)\\ subjectto& r_{nj}\in S,j=1,...,M\end{array}---\left(8\right)$利用选择的M颗最优导航星，通过深空探测巡航段的自主导航测量模型，构建出最终自主导航测量模型y_final＝h_final(r_s)+ε，将其输入非线性滤波器对探测器状态进行最优估计，最终输出探测器状态信息。