一种基于小行星交会的深空探测器自主天文导航方法

摘要

本发明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。

主权项

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：$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}=v_x\\ \stackrel{·}{y}=v_y\\ \stackrel{·}{z}=v_z\\ {\stackrel{·}{v}}_x=-{\mu }_s\frac{x}{r_{\mathrm{ps}}^3}-{\mu }_m[\frac{x-x_1}{r_{\mathrm{pm}}^3}+\frac{x_1}{r_{\mathrm{sm}}^3}]-{\mu }_e[\frac{x-x_2}{r_{\mathrm{pe}}^3}+\frac{x_2}{r_{\mathrm{se}}^3}]-{\mu }_j[\frac{x-x_3}{r_{\mathrm{pj}}^3}+\frac{x_3}{r_{\mathrm{sj}}^3}]+w_x\\ {\stackrel{·}{v}}_y=-{\mu }_s\frac{y}{r_{\mathrm{ps}}^3}-{\mu }_m[\frac{y-y_1}{r_{\mathrm{pm}}^3}+\frac{y_1}{r_{\mathrm{sm}}^3}]-{\mu }_e[\frac{y-y_2}{r_{\mathrm{pe}}^3}+\frac{y_2}{r_{\mathrm{se}}^3}]-{\mu }_j[\frac{y-y_3}{r_{\mathrm{pj}}^3}+\frac{y_3}{r_{\mathrm{sj}}^3}]+w_y\\ {\stackrel{·}{v}}_z=-{\mu }_s\frac{z}{r_{\mathrm{ps}}^3}-{\mu }_m[\frac{z-z_1}{r_{\mathrm{pm}}^3}+\frac{z_1}{r_{\mathrm{sm}}^3}]-{\mu }_e[\frac{z-z_2}{r_{\mathrm{pe}}^3}+\frac{z_2}{r_{\mathrm{se}}^3}]-{\mu }_j[\frac{z-z_3}{r_{\mathrm{pj}}^3}+\frac{z_3}{r_{\mathrm{sj}}^3}]+w_z\end{array}\right.---\left(1\right)$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、μ_e和μ_j分别为太阳、火星、地球和木星引力常数，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为地心到探测器的距离，r_se为地心到日心的距离，r_pj为木心到探测器的距离，r_sj为木心到日心的距离，(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)和(x，y，z)分别为火星、地球、木星和探测器在日心黄道惯性坐标系中的位置，其中火星、地球和木星的位置由行星星历表获得，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$\stackrel{·}{X}\left(t\right)=f(X\left(t\right),t)+w\left(t\right)---\left(2\right)$状态变量为X＝[x，y，z，v_x，v_y，v_z]^T，f(X(t)，t)为非线性连续状态转移函数，状态噪声为w＝[w_x，w_y，w_z]^T；②建立第一小行星及其背景恒星之间角度信息和第二小行星及其背景恒星之间角度信息的量测模型；第一小行星和第i颗背景恒星角度信息的表达式为：${\theta }_{1i}=\arccos (-{\overrightarrow{l}}_{\mathrm{pa}1}·{\overrightarrow{s}}_{a1i})---\left(3\right)$式中，为第一小行星相对探测器的单位矢量，为第一小行星敏感器视场范围内第i颗背景恒星星光方向的单位矢量，i＝1，2，3；第二小行星和第i颗背景恒星角度信息的表达式为：${\theta }_{2i}=\arccos (-{\overrightarrow{l}}_{\mathrm{pa}2}·{\overrightarrow{s}}_{a2i})---\left(4\right)$式中，为第二小行星相对探测器的单位矢量，为第二小行星敏感器视场范围内第i颗背景恒星星光方向的单位矢量；令Z＝[θ_1i，θ_2i]^T，量测噪声分别为测量θ_1i，θ_2i的观测误差，各变量都是与时间t有关的函数，则以第一小行星和第二小行星与各自背景恒星之间的角度信息作为观测量的量测模型可表示为：Z(t)＝h[X(t)，t]+v(t)              (5)③对步骤①中式(2)所示的状态方程及步骤②中式(5)所示的量测方程进行离散化，X(k+1)＝F(X(k)，k)+w(k)            (6)Z(k)＝H(X(k)，k)+v(k)              (7)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；④获取敏感器角度信息量测量；A.小行星敏感器获取第一小行星和第二小行星的两幅图像信息；B.步骤A中的图像信息经质心提取后，获得第一小行星的像元像线(p_m1，l_m1)、第一小行星图像中的第i颗背景恒星的像元像线(p_m1i，l_m1i)、第二小行星的像元像线(p_m2，l_m2)和第二小行星图像中第i颗背景恒星的像元像线(p_m2i，l_m2i)，i＝1，2，3；C.第一小行星、第二小行星和背景恒星的像元像线转换为矢量方向D.将第一小行星、第二小行星和背景恒星的矢量方向信息转换为第一小行星、第二小行星和背景恒星之间的角度信息；量测得到的第一小行星和第i颗背景恒星角度信息，${\theta }_{m1i}=\arccos (-{\overrightarrow{l}}_{m1}^c·{\overrightarrow{s}}_{m1i}^c)---\left(8\right)$量测得到的第二小行星和第i颗背景恒星角度信息，${\theta }_{m2i}=\arccos (-{\overrightarrow{l}}_{m2}^c·{\overrightarrow{s}}_{m2i}^c)---\left(9\right)$⑤采用自适应Unscented卡尔曼滤波方法，结合步骤①②④的状态模型、量测模型和量测量，输出导航的位置、速度信息。