一种行星动力下降段的自主导航方法

摘要

本发明涉及一种行星动力下降段的自主导航方法，属于深空探测技术领域。本方法结合下降敏感器、无线电接收机及导航相机，在行星着陆任务开始前利用行星轨道器在着陆区域附近布置具有无线电测量及通信功能的信标，并利用轨道器的多次观测确定其位置。在行星动力下降阶段利用安装在探测器上的无线电接收装置测量探测器相对无线电信标的位置，并结合下降敏感器及导航相机对探测器位置、速度及姿态进行估计，导航数据解算时间短，满足自主导航实时性的需求；保证了导航的精度与实时性。

主权项

1.一种行星动力下降段的自主导航方法，其特征在于：具体流程如下：步骤1：建立行星动力下降段状态模型在行星着陆点惯性坐标系下建立探测器状态模型；导航系统的状态矢量x包括探测器位置矢量r=[x,y,z]^T、速度矢量、姿态角e=[φ,θ,ψ]^T、加速度计常值漂移陀螺常值漂移在行星着陆任务开始前利用行星轨道器在着陆区域附近布置N颗具有无线电测量及通信功能的信标，并利用轨道器多次观测，确定信标位置，将第i颗无线电信标的位置r_Bi=[x_Bi,y_Bi,z_Bi]^T扩充为导航系统状态；i=1,…,N；行星动力下降段探测器的状态模型建立为：$\begin{array}{c}\stackrel{·}{r}=v\\ \stackrel{·}{v}=T_b^l(a_m-b_a-{\xi }_m)+g\\ \stackrel{·}{e}=K({\omega }_m-b_{\omega }-{\xi }_{\omega })\\ {\stackrel{·}{b}}^a=0\\ {\stackrel{·}{b}}^{\omega }=0\\ {\stackrel{·}{r}}_{\mathrm{Bi}}=0\end{array}---\left(1\right)$其中，为本体坐标系到行星着陆点坐标系的状态转移矩阵，满足$T_l^b=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \phi & \sin \phi \\ 0& -\sin \phi & \cos \phi \end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & 0& -\sin \theta \\ 0& 1& 0\\ \sin \theta & 0& \cos \theta \end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \psi & \sin \psi & 0\\ -\sin \psi & \cos \psi & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$K为角速度转换矩阵，满足$K=\frac{1}{\cos \theta }\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & \sin \theta \sin \phi & \sin \theta \cos \phi \\ 0& \cos \theta \cos \phi & -\cos \theta \sin \phi \\ 0& \sin \phi & \cos \phi \end{array}\right]---\left(3\right)$a_m和ω_m分别是导航系统中加速度计和陀螺的输出值，ξ_m和ξ_ω分别是加速度计和陀螺的测量误差，g为重力加速度；步骤2：建立行星动力下降段自主导航测量模型通过探测器与无线电信标之间的测量及通信，得到探测器与第i颗信标之间的相对距离：$R_i=|r-r_{\mathrm{Bi}}|=\sqrt{{(x-x_{\mathrm{Bi}})}^2+{(y-y_{\mathrm{Bi}})}^2+{(z-z_{\mathrm{Bi}})}^2}---\left(4\right)$通过安装在探测器底端的下降敏感器的雷达波束测量，得到第j束波束到行星表面的距离ρ_j及探测器速度在第j束波束方向的投影V_j：$\begin{array}{cc}{\rho }_j=\frac{\left|z\right|}{\cos (T_b^l{n}_{\mathrm{\rho i}},-v_z)}=\frac{\left|z\right|}{n_{\mathrm{\rho i}}^x\sin \theta -n_{\mathrm{\rho i}}^y\sin \phi \cos \theta -n_{\mathrm{\rho i}}^z\cos \phi \cos \theta },& j=1,...,M\end{array}---\left(5\right)$$V_j=v_b·n_{\mathrm{\rho j}}={\left(T_l^{b}v\right)}^T{n}_{\mathrm{\rho j}}=v^T{T}_b^l{n}_{\mathrm{\rho j}},\begin{array}{c}j=1,...,M\end{array}---\left(6\right)$式中为第j束波束的单位方向矢量，v_b为探测器速度在本体坐标系下的表示，M为雷达波束的数量；安装在探测器底部的导航相机对行星表面拍摄图像进行图像处理，并与预先获得的着陆区域图像进行对比，得到探测器滚转角信息；利用无线电测量信息、下降敏感器及导航相机的导航敏感器组合，构建行星动力下降段组合导航测量模型为：$y=h\left(x\right)+v=\left[\begin{array}{c}\rho \\ V\\ R\\ \psi \end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\upsilon }_{\rho }\\ {\upsilon }_V\\ {\upsilon }_R\\ {\upsilon }_{\psi }\end{array}\right]---\left(7\right)$式中ρ=[ρ₁,…,ρ_M]^T，V=[V₁,…,V_M]^T，R=[R₁,…,R_N]^T，υ_ρ下降敏感器雷达波束距离的测量误差，υ_V为速度投影的测量误差、υ_R为探测器与无线电信标相对距离的测量误差、υ_ψ为探测器滚转角的测量误差；步骤3：自主导航滤波解算通过加速度计及陀螺输出确定初始状态，根据步骤1得到的行星动力下降段状态模型及步骤2得到的测量模型y=h(x)，结合导航敏感器输出信息，通过导航滤波算法计算并输出探测器状态矢量x。