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

有效

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

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于可觀測(cè)度分析的火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)方法，屬于深空探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及多個(gè)火星探測(cè)任務(wù)的成功實(shí)施，火星探測(cè)已經(jīng)逐漸成為航天領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。為了獲得更為有價(jià)值的科學(xué)素材，往往需要探測(cè)器著陸到具有較高科學(xué)價(jià)值的特定區(qū)域，而火星距離地球遙遠(yuǎn)，通信延遲大，所以需要自主導(dǎo)航制導(dǎo)與控制的支持，而自主導(dǎo)航技術(shù)是其前提條件。火星表面環(huán)境惡劣，進(jìn)入段大氣環(huán)境以及重力場(chǎng)等特性具有很大的不確定性，急需精確魯棒的進(jìn)入段自主導(dǎo)航以保證火星著陸精度。

“海盜號(hào)”的進(jìn)入段導(dǎo)航采用基于慣性單元IMU的航位遞推導(dǎo)航技術(shù)，后續(xù)的“火星探路者”、“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”、“鳳凰號(hào)”以及“好奇號(hào)”任務(wù)都采用這種導(dǎo)航方式。航位遞推導(dǎo)航技術(shù)由于進(jìn)入段初始狀態(tài)誤差、IMU漂移和隨機(jī)誤差、外部環(huán)境擾動(dòng)等因素，難以滿足未來高精度火星著陸探測(cè)任務(wù)的著陸精度需求。

為了在只利用慣性單元測(cè)量數(shù)據(jù)的情況下得到更精確、魯棒性更強(qiáng)的導(dǎo)航方法，有學(xué)者提出結(jié)合火星大氣模型的進(jìn)入段導(dǎo)航方案。針對(duì)火星進(jìn)入段非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，引入火星大氣密度指數(shù)模型，將IMU輸出同時(shí)作為外部觀測(cè)量，并利用濾波算法對(duì)探測(cè)器狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，但觀測(cè)信息仍然很有限，并且嚴(yán)重依賴于火星大氣模型的精確程度。

根據(jù)最近的研究結(jié)果，高頻無線電信號(hào)可以在進(jìn)入段的大部分時(shí)間穿過著陸器周圍的等離子鞘?；谶@一發(fā)現(xiàn)，有學(xué)者提出可以利用位置精確確定的無線電信標(biāo)，如火星探測(cè)任務(wù)軌道器或火星表面人工信標(biāo)，與著陸器之間進(jìn)行無線電測(cè)量通信豐富著陸器在大氣進(jìn)入段的導(dǎo)航信息，有效提高導(dǎo)航精度。但導(dǎo)航性能受無線電信標(biāo)的幾何構(gòu)型影響，如何選擇無線電信標(biāo)的構(gòu)型以提高導(dǎo)航精度，仍需進(jìn)一步研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了提高火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航的精度與魯棒性，結(jié)合火星大氣進(jìn)入段導(dǎo)航欠觀測(cè)的特點(diǎn)，提出一種基于可觀測(cè)度分析的火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)方法，針對(duì)基于無線電測(cè)量的火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案，通過對(duì)無線電信標(biāo)幾何構(gòu)型的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器進(jìn)入狀態(tài)的精確估計(jì)。

本發(fā)明方法的原理為利用導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測(cè)度表征導(dǎo)航系統(tǒng)性能，結(jié)合基于無線電測(cè)量的火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案，對(duì)導(dǎo)航信標(biāo)幾何構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)，保證導(dǎo)航性能的最優(yōu)。

基于可觀測(cè)度分析的火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)方法的具體步驟如下：

步驟1：建立火星大氣進(jìn)入動(dòng)力學(xué)模型。

在火星慣性坐標(biāo)系下，考慮氣動(dòng)力、重力以及由于火星自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的哥氏力，探測(cè)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(cè)器的距離，V為探測(cè)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(cè)器的6自由度動(dòng)力學(xué)模型為：

r·=Vsinγ]]>

θ·=Vrcosγcosψcosφ]]>

φ·=Vrcosγsinψ]]>