一种火星探测器巡航段自主天文导航方法

摘要

本发明涉及一种火星探测器巡航段自主天文导航方法。根据圆形限制性四体轨道动力学模型建立火星探测器的状态模型；利用太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器获得太阳、地球、火星以及恒星的像元像线信息，把所获得的像元像线信息转换为太阳、地球、火星的角度信息，建立太阳、地球和火星的角度信息量测模型；并使用q-method方法估计探测器姿态信息，结合Unscented递推最小方差估计估计火星探测器的位置和速度。本发明估计精度高，非常适用于火星探测器巡航段自主导航。本发明属于航天导航技术领域，不仅可以为火星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。

主权项

1.一种火星探测器巡航段的自主天文导航方法，其特征在于：首先根据圆形限制性四体模型建立火星探测器的状态模型，再利用敏感器获得太阳、地球、火星和恒星的像元像线信息，之后把像元像线转换为角度信息，建立太阳、地球及火星与恒星之间角度信息的量测模型，其中使用q-method姿态估计方法联合Unscented递推最小方差估计确定火星探测器的姿态、位置和速度；具体包括以下步骤：①建立基于圆形限制性四体模型的火星探测器巡航段导航系统状态方程；考虑太阳中心引力、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，可得火星探测器的状态模型：$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}=v_x\\ \stackrel{·}{y}=v_y\\ \stackrel{·}{z}=v_z\\ {\stackrel{·}{v}}_x=-{\mu }_s\frac{x}{r_{\mathrm{ps}}^3}-{\mu }_m[\frac{x-x_1}{r_{\mathrm{pm}}^3}+\frac{x_1}{r_{\mathrm{sm}}^3}]-{\mu }_e[\frac{x-x_2}{r_{\mathrm{pe}}^3}+\frac{x_2}{r_{\mathrm{se}}^3}]+w_x\\ {\stackrel{·}{v}}_y=-{\mu }_s\frac{y}{r_{\mathrm{ps}}^3}-{\mu }_m[\frac{y-y_1}{r_{\mathrm{pm}}^3}+\frac{y_1}{r_{\mathrm{sm}}^3}]-{\text{μ}}_e[\frac{y-y_2}{r_{\mathrm{pe}}^3}+\frac{y_2}{r_{\mathrm{se}}^3}]+w_y\\ {\stackrel{·}{v}}_z=-{\mu }_s\frac{z}{r_{\mathrm{ps}}^3}-{\mu }_m[\frac{z-z_1}{r_{\mathrm{pm}}^3}+\frac{z_1}{r_{\mathrm{sm}}^3}]-{\mu }_e[\frac{z-z_2}{r_{\mathrm{pe}}^3}+\frac{z_2}{r_{\mathrm{se}}^3}]+w_z\end{array}\right.---\left(1\right)$式中，探测器三轴位置的微分，v_x，v_y，v_z为探测器三轴的速度，为探测器三轴速度的微分，μ_s、μ_m和μ_e分别为太阳、火星和地球引力常数；r_ps为日心到探测器的距离；r_pm为火星到探测器的距离；r_sm为火心到日心的距离；r_pe为地球到探测器的距离；r_se为地心到日心的距离；(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)和(x，y，z)分别为火星、地球和火星探测器坐标，其中火星和地球的坐标可根据时间由行星星历表获得，w_x，w_y，w_z分别为探测器三轴的状态模型误差；式(1)中的各变量都是与时间t有关的变量，可简写为$\stackrel{·}{X}\left(t\right)=f(X\left(t\right),t)+w\left(t\right)---\left(2\right)$X＝[x，y，z，v_x，v_y，v_z]^T为状态变量，f(X(t)，t)为系统非线性连续状态转移函数，w＝[w_x，w_y，w_z]^T为状态模型噪声；②建立太阳、地球、火星以及恒星的像元像线模型；太阳、地球、火星以及第i颗恒星的像元像线模型可以表示为：$\left[\begin{array}{c}{p}_s\\ l_s\end{array}\right]=K_s\left[\begin{array}{c}{x}_s^{2d}\\ y_s^{2d}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{p}_{0s}\\ l_{0s}\end{array}\right]=K_s\frac{f_s}{z_s^c}\left[\begin{array}{c}{x}_s^c\\ y_s^c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{p}_{0s}\\ l_{0s}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{p_s}\\ v_{l_s}\end{array}\right]---\left(3\right)$$\left[\begin{array}{c}{p}_e\\ l_e\end{array}\right]=K_e\left[\begin{array}{c}{x}_e^{2d}\\ y_e^{2d}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{p}_{0e}\\ l_{0e}\end{array}\right]=K_e\frac{f_e}{z_e^c}\left[\begin{array}{c}{x}_e^c\\ y_e^c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{p}_{0e}\\ l_{0e}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{p_e}\\ v_{l_e}\end{array}\right]---\left(4\right)$$\left[\begin{array}{c}{p}_m\\ l_m\end{array}\right]=K_m\left[\begin{array}{c}{x}_m^{2d}\\ y_m^{2d}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{p}_{0m}\\ l_{0m}\end{array}\right]=K_m\frac{f_m}{z_m^c}\left[\begin{array}{c}{x}_m^c\\ y_m^c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{p}_{0m}\\ l_{0m}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{p_m}\\ v_{l_m}\end{array}\right]---\left(5\right)$$\left[\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{si}}\\ l_{\mathrm{si}}\end{array}\right]=K_m\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{si}}^{2d}\\ y_{\mathrm{si}}^{2d}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{p}_{0s}\\ l_{0s}\end{array}\right]=K_{\mathrm{star}}\frac{f_{\mathrm{star}}}{z_{\mathrm{si}}^c}\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{si}}^c\\ y_{\mathrm{si}}^c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{p}_{0\mathrm{star}}\\ l_{0\mathrm{star}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{p_{\mathrm{si}}}\\ v_{l_{\mathrm{si}}}\end{array}\right]---\left(6\right)$式中，(p_s，l_s)、(p_e，l_e)、(p_m，l_m)和(p_si，l_si)分别为太阳、地球、火星和第i颗恒星在太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器二维成像平面的像元和像线，i＝1，2，3，(p_0s，l_0s)、(p_0e，l_0e)、(p_0m，l_0m)和(p_0star，l_0star)分别为太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器二维成像平面中心的像元和像线；K_s、K_e、K_m和K_star分别为太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器由毫米转为像素的转换矩阵；f_s、f_e、f_m和f_star分别为太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器的焦距；和分别为太阳、地球、火星和第i颗恒星在太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器二维成像平面的坐标，和分别为太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器坐标系中的太阳、地球、火星和第i颗恒星的坐标，可以由惯性系中的坐标经惯性系到敏感器坐标系的转换矩阵得出，同时由星敏感器获取恒星矢量方向，并利用q-method方法输出姿态信息，转换为姿态矩阵，为像元像线模型提供坐标转换矩阵，分别为太阳、地球、火星和恒星的像元像线模型误差；③建立太阳、地球、火星与恒星之间角度信息的量测模型；太阳、地球、火星分别与第i颗恒星的夹角，共9个角度θ_si、θ_ei和θ_mi表达式为：$\left\{\begin{array}{c}{\theta }_{\mathrm{si}}=\arccos (-{\overrightarrow{l}}_{\mathrm{ps}}·{\overrightarrow{s}}_i)\\ {\theta }_{\mathrm{ei}}=\arccos (-{\overrightarrow{l}}_{\mathrm{pe}}·{\overrightarrow{s}}_i)\\ {\theta }_{\mathrm{mi}}=\arccos (-{\overrightarrow{l}}_{\mathrm{pm}}·{\overrightarrow{s}}_i)\end{array}\right.---\left(7\right)$式中，为太阳、地球和火星的方向，由步骤②中的像元像线转换得出，为在各敏感器坐标系中由星敏感器识别的第i颗恒星星光的矢量方向；设Z为系统观测量，X为系统状态量，则由式(7)可建立太阳、地球和火星之间角度信息量测方程的表达式为：$Z=\left[\begin{array}{c}{\theta }_{\mathrm{si}}\\ {\theta }_{\mathrm{ei}}\\ {\theta }_{\mathrm{mi}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{{\theta }_{\mathrm{si}}}\\ v_{{\theta }_{\mathrm{ei}}}\\ v_{{\theta }_{\mathrm{mi}}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\arccos (-{\overrightarrow{l}}_{\mathrm{ps}}·{\overrightarrow{s}}_i)\\ \arccos (-{\overrightarrow{l}}_{\mathrm{pe}}·{\overrightarrow{s}}_i)\\ \arccos (-{\overrightarrow{l}}_{\mathrm{pm}}·{\overrightarrow{s}}_i)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{{\theta }_{\mathrm{si}}}\\ v_{{\theta }_{\mathrm{ei}}}\\ v_{{\theta }_{\mathrm{mi}}}\end{array}\right]=h\left(X\right)+v---\left(8\right)$式中，h(·)为观测量Z的量测函数，为θ_si，θ_ei，θ_mi的观测误差；式中各变量都是与时间有关的函数，则式(8)可以简写为Z(t)＝h(X(t)，t)+v(t)                    (9)④对步骤①中式(2)所示的状态模型及步骤③式(9)所示的量测模型进行离散化X(k+1)＝F(X(k)，k)+w(k)        (10)Z(k)＝H(X(k)，k)+v(k)          (11)式中，k＝1，2，…，F(X(k)，k)为f(X(t)，t)离散后的非线性状态转移函数，H(X(k)，k)为h(X(t)，t)离散后的非线性量测函数，w(k)、v(k)互不相关；⑤成像敏感器获取量测量；A.太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器获取日地火和恒星的图像信息；B.对步骤A中图像信息进行质心提取后，获得太阳在太阳敏感器中图像的像元像线(p_ms，l_ms)、地球在地球敏感器中图像的像元像线(p_me，l_me)和火星在火星敏感器中图像的像元像线(p_mm，l_mm)及第i颗恒星在星敏感器中图像的像元像线(p_mi，l_mi)；C.利用太阳、地球和火星的二维像元像线转换为三维矢量方向；D.将太阳、地球和火星和恒星的矢量方向信息转换为太阳、地球和火星和恒星之间的角度信息；⑥q-method定姿；利用星敏感器输出的恒星矢量方向信息，确定探测器的姿态信息，并反馈姿态矩阵至步骤②；⑦巡航段轨道Unscented递推最小方差估计；利用Unscented递推最小方差估计算法，结合所述步骤①中的状态方程和步骤③中的量测方程进行滤波，利用太阳敏感器、火星敏感器、地球敏感器和星敏感器分别获取测量得到的太阳、火星、地球和恒星的像元像线信息，并将此测量信息转换为量测量太阳、火星、地球和恒星的角度信息，通过量测量与量测方程相减得到系统量测残差，用系统这一残差校正量测方程的模型误差；利用Unscented采样13个采样点，利用系统状态方程，对采样点进行一步预测，并得出与上一步迭代状态值之间协方差阵，以消除状态方程模型误差的影响，输出导航信息。