[發(fā)明專利]基于可觀測度分析的火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210592704.3
• 申請日: 2012-12-30
• 公開（公告）號: CN103076017A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 崔平遠(yuǎn);于正湜;朱圣英;高艾;徐瑞
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.基于可觀測度分析的火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：建立火星大氣進(jìn)入動力學(xué)模型；

在火星慣性坐標(biāo)系下，考慮氣動力、重力以及由于火星自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的哥氏力，探測器的6維狀態(tài)矢量為x=[r，θ,φ,V，γ,ψ]^T，其中r為火星質(zhì)心到探測器的距離，V為探測器速度，θ為經(jīng)度，φ為緯度，γ為航跡角，ψ為指向角，ψ=0表示指向東；則火星進(jìn)入段探測器的6自由度動力學(xué)模型為：

r·=Vsinγ]]>

θ·=Vrcosγcosψcosφ]]>

φ·=Vrcosγsinψ]]>

V·=-D-gsinγ]]>

γ·=1V[Lcosσ-(g-V2r)cosγ]+2ω(tanγsinψcosφ-sinφ)]]>

ψ·=-1Vcosγ(Lsinσ+V2rcos2γcosψtanφ)+2ωcosψcosφ]]>

其中σ為傾側(cè)角，ω為火星自轉(zhuǎn)角速度；g為重力加速度，L，D分別為探測器受到的升力和阻力加速度：

g=μr2,]]>L=12ρV2SmCL,]]>D=12ρV2SmCD]]>

式中μ為火星引力常數(shù)，ρ為大氣密度，S為探測器的參考面積，m為探測器質(zhì)量，C_L和C_D分別為探測器的升力和阻力系數(shù)；

將火星進(jìn)入段探測器的動力學(xué)模型描述為x＝f(x)形式；給定探測器初始進(jìn)入狀態(tài)，得到探測器進(jìn)入軌跡；

步驟2：建立火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航測量模型；

通過探測器與裝備無線電收發(fā)裝置的無線電信標(biāo)間的無線電測量及通信，得到探測器與無線電信標(biāo)之間的相對距離及相對速度為：

Ri=(xBeaconi-x)2+(yBeaconi-y)2+(zBeaconi-z)2,]]>

x=rcosφcosθ,y=rcosφsinθ,z=rsinφ??i=1,2,...,n

Vi=dRidt]]>

式中R_i與V_i分別為探測器到第i顆無線電信標(biāo)的相對距離與相對速度，分別為第i顆無線電信標(biāo)位置矢量的三軸分量，x，y，z分別為探測器位置矢量的三軸分量，n為無線電信標(biāo)的個數(shù)；

根據(jù)對多個無線電信標(biāo)不同測量信息的組合，構(gòu)建火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航測量模型為

y=[R_i,V_i]^T=h(x),i=1,2,...,n

步驟3：判斷無線電信標(biāo)可見性；

第i顆信標(biāo)到探測器的相對位置矢量為

vi=[x-xBeaconi,y-yBeaconi,z-zBeaconi]T]]>

其單位矢量為

v_ni=v_i/|v_i|

無線電信標(biāo)處水平面的單位法向量為

ni=[xBeaconi,yBeaconi,zBeaconi]T(xBeaconi)2+(yBeaconi)2+(zBeaconi)2]]>

探測器的單位位置向量為

nc=[x,y,z]Tx2+y2+z2]]>

對于火星表面的人工無線電信標(biāo)，若在整個探測器進(jìn)入過程中，探測器與信標(biāo)位置關(guān)系滿足

arccos(vni·ni)<π2]]>

則第i顆信標(biāo)為可見，否則第i顆信標(biāo)為不可見；

步驟4：計算導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測度；

步驟4.1：建立可觀測性矩陣；

針對非線性動力學(xué)系統(tǒng)x=f(x)及測量模型y=h(x)，在當(dāng)前狀態(tài)下，利用Taylor級數(shù)展開，并保留線性項：

Δx·=AΔx,]]>A=∂f(x)∂x|x=x‾]]>

Δy=CΔx，C=∂h(x)∂x|x=x‾]]>

其中利用線性化動力學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建可觀測性矩陣為

O＝[C^T,A^TC^T,…,(A^T)⁵C^T]^T

步驟4.2：計算導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測度；

當(dāng)某個無線電信標(biāo)不可觀時，可觀測度為0；

選擇進(jìn)入過程中導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測度的最小值作為無線電信標(biāo)幾何構(gòu)型對應(yīng)的導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測度DO：

步驟5：優(yōu)化無線電信標(biāo)構(gòu)型；

根據(jù)探測器進(jìn)入軌跡和步驟3的位置關(guān)系確定無線電信標(biāo)位置矢量三軸分量的取值范圍，將導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測度DO最大作為優(yōu)化目標(biāo)，在滿足無線電信標(biāo)位置矢量三軸分量取值范圍的條件下，利用現(xiàn)代全局優(yōu)化算法對無線電信標(biāo)構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的n個無線電信標(biāo)構(gòu)型。