[發(fā)明專利]天文測(cè)速與地面無(wú)線電組合的火星捕獲段導(dǎo)航方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710987142.5
• 申請(qǐng)日: 2017-10-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107727102A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張偉;尤偉;陳曉;張嵬;杜洋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海衛(wèi)星工程研究所
• 主分類號(hào): G01C21/24
• 分類號(hào): G01C21/24
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司31236
• 代理人: 郭國(guó)中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及深空組合導(dǎo)航技術(shù)，具體地，涉及一種天文測(cè)速與地面無(wú)線電組合的火星捕獲段導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)

深空探測(cè)任務(wù)對(duì)航天器導(dǎo)航能力提出了較高的要求。目前，地面無(wú)線電仍是實(shí)現(xiàn)深空導(dǎo)航任務(wù)的主要手段。受可見(jiàn)弧段與無(wú)線電時(shí)延的制約，地面無(wú)線電導(dǎo)航已無(wú)法滿足深空探測(cè)連續(xù)自主、實(shí)時(shí)高精度的導(dǎo)航需求。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了深空天文自主導(dǎo)航方法，主要分為測(cè)角、測(cè)距與測(cè)速三類。其中測(cè)速導(dǎo)航是近年來(lái)新興的一種自主導(dǎo)航方法，主要通過(guò)測(cè)量與恒星等導(dǎo)航源的視向速度，進(jìn)而估計(jì)出探測(cè)器的飛行狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種天文測(cè)速與地面無(wú)線電組合的火星捕獲段導(dǎo)航方法。

根據(jù)本發(fā)明提供的天文測(cè)速與地面無(wú)線電組合的火星捕獲段導(dǎo)航方法，包括如下步驟：

步驟1：在探測(cè)器到達(dá)火星近火點(diǎn)前N天，開(kāi)始實(shí)施連續(xù)d天的導(dǎo)航觀測(cè)，其中d的取值小于N，通過(guò)地面站獲得地面站與探測(cè)器的距離、視向速度；

步驟2：通過(guò)探測(cè)器自主獲得指定恒星與探測(cè)器的視向速度；

步驟3：建立聯(lián)合觀測(cè)方程，并結(jié)合深空動(dòng)力學(xué)方程獲得天地組合導(dǎo)航的位置與速度估計(jì)。

優(yōu)選地，所述步驟1中的N的取值包括：4至8，d的取值包括：2～3。

優(yōu)選地，所述步驟2包括：將地面站探測(cè)器的距離與視向速度之間的矢量關(guān)系式記為G₁(X_i,t_i)，簡(jiǎn)稱G₁，計(jì)算公式如下：

式中：i表示觀測(cè)次數(shù)，t_i表示第i次觀測(cè)的時(shí)刻，X_i表示t_i時(shí)刻的探測(cè)器狀態(tài)，探測(cè)器狀態(tài)包括：位置r與速度v，ρ表示探測(cè)器與地面站間的距離；表示探測(cè)器與地面站間的視向速度；為1×2的矢量；上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置。

優(yōu)選地，所述步驟3包括：

步驟3.1：根據(jù)地面站與探測(cè)器的距離、視向速度、指定恒星與探測(cè)器的視向速度建立聯(lián)合觀測(cè)方程建立聯(lián)合方程；

步驟3.2：結(jié)合深空動(dòng)力學(xué)方程通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法獲得天地組合導(dǎo)航的位置與速度估計(jì)。

優(yōu)選地，所述步驟3.1包括：將指定恒星與探測(cè)器的視向速度記為G₂(X_i,t_i)，簡(jiǎn)稱G₂，計(jì)算公式如下：

式中，表示恒星與探測(cè)器的視向速度，即恒星與探測(cè)器的相對(duì)速度矢量在恒星與探測(cè)器之間連線方向上的投影；

根據(jù)地面站與探測(cè)器的距離、視向速度、指定恒星與探測(cè)器的視向速度建立的聯(lián)合觀測(cè)方程式記為G(X_i,t_i)，計(jì)算公式如下：

則聯(lián)合觀測(cè)方程如下：

Y_i＝G(X_i,t_i)+e_i,i＝1,2,...,l；

式中：i表示觀測(cè)次數(shù)，l表示總的觀測(cè)次數(shù)，X_i表示t_i時(shí)刻的探測(cè)器狀態(tài)，Y_i表示t_i時(shí)刻的觀測(cè)值，e_i表示第i次觀測(cè)誤差。

優(yōu)選地，所述步驟3.2中的深空動(dòng)力學(xué)方程如下：

考慮探測(cè)器在捕獲段受力情況時(shí)：

式中：X(t)表示探測(cè)器狀態(tài)矢量，表示探測(cè)器狀態(tài)矢量關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，F(xiàn)(X(t),t)表示與X(t)有關(guān)的狀態(tài)方程函數(shù)，a₀表示火星二體引力加速度；a_i表示第i個(gè)大天體引起的點(diǎn)質(zhì)量攝動(dòng)加速度，N表示大天體數(shù)量；表示火星引力場(chǎng)J₂項(xiàng)引起的攝動(dòng)加速度；a_R表示太陽(yáng)光壓引起的攝動(dòng)加速度；r表示探測(cè)器的位置矢量；表示探測(cè)器位置矢量r對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即速度矢量；表示探測(cè)器速度矢量v對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即加速度矢量。

優(yōu)選地，所述擴(kuò)展卡爾曼濾波算法包括如下步驟：