[發明專利]一種深空著陸幾何定軌定姿方法、系統及深空著陸器

有效

• 申請號: 201810227531.2
• 申請日: 2018-03-20
• 公開（公告）號: CN109000665B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 李茂登;黃翔宇;郭敏文;徐超;魏春嶺;張曉文;胡錦昌;王曉磊
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

本發明涉及一種深空著陸幾何定軌定姿方法、系統及深空著陸器，該方法首先確定著陸器相對于火星的方向矢量和著陸器相對于火星中心的距離；根據著陸器相對于火星中心的距離和火星半徑求解得到著陸器距離火星表面的高度；建立慣性坐標系x_Iy_Iz_I，得到慣性坐標系到體坐標系的姿態矩陣；進一步求解得到著陸器的慣性位置和慣性速度，本發明自主利用測距測速敏感器進行幾何定軌定姿，針對動力下降段IMU出現故障的情況下，能夠單純利用測距測速敏感器進行定軌定姿，實現自主導航的初始基準捕獲，減輕對慣導系統初始基準的依賴程度，提高了軟著陸自主導航系統的魯棒性和故障容忍能力，且算法為解析算法，易于星上運算，為軟著陸任務的成功實施奠定了基礎。

技術領域

本發明涉及一種深空著陸幾何定軌定姿方法、系統及深空著陸器，屬于火星和深空探測軟著陸任務的自主導航領域。

背景技術

火星探測任務的進入、下降與著陸段(Entry，Descent，and Landing，簡稱EDL)是火星探測器近7億千米旅途的最后6、7分鐘，是火星表面探測任務的關鍵階段，也是最困難的階段。EDL技術也是火星表面探測任務的關鍵技術之一。從火星探測器以2萬千米每小時的速度進入火星大氣開始，經歷大氣減速，降落傘拖拽，動力減速等一系列的階段，最終為了確保安全精確地降落在火星表面。

火星探測的失敗案例中較多是由于火星著陸器在下降著陸過程中出現意外，導致整個探測任務的失敗。蘇聯的火星-6于1973年08月05日發射，著陸器在下降期間出現故障，失去了與地球的聯系；美國1999年01月03日發射的火星極地著陸器，在著陸下降期間通信喪失，著陸器墜毀；歐空局在2003年6月2號發射的火星快車/獵兔犬-2的火星著陸器也在著陸過程中墜毀。可見火星著陸探測EDL過程技術是保證任務成功的關鍵技術，需要深入展開研究。

EDL主要分為大氣進入、傘降和動力下降段，主要采取的是慣性自主導航方式，并在傘降段末期拋完大底以后利用測速測距進行修正。但是傘降過程動態極高，而且無法建立完善的動力學模型進行分析。這一過程的高動態導致IMU極易飽和甚至出現故障，而一段IMU出現飽和故障，將喪失姿態基準。而目前的著陸任務中在根據測距信息計算高度信息的，利用了慣導的姿態基準。一旦姿態喪失基準，高度信息解算錯誤就會影響任務的成功實施。2016年歐空局ExoMars火星任務的著陸器就是因為IMU出現飽和使得姿態基準喪失，造成了高度計算錯誤引發GNC指令執行錯誤，最終導致著陸器墜毀。為此需要研究考慮IMU出現故障，不依賴于IMU的定軌定姿方法。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的上述缺陷，提供一種深空著陸幾何定軌定姿方法，該方法針對動力下降段IMU出現故障的情況下，能夠單純利用測距測速敏感器進行定軌定姿，實現自主導航的初始基準捕獲，減輕對慣導系統初始基準的依賴程度，進一步提高軟著陸自主導航系統的魯棒和故障容忍能力。

本發明的另外一個目的在于提供一種深空著陸幾何定軌定姿系統及深空著陸器。

本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的：

一種深空著陸幾何定軌定姿方法，包括：

確定著陸器相對于火星的方向矢量，根據所述方向矢量得到著陸器相對于火星中心的距離；

根據所述著陸器相對于火星中心的距離和火星半徑求解得到著陸器距離火星表面的高度；

建立慣性坐標系x_Iy_Iz_I，其中z_I為火星的中心指向著陸器的位置方向，得到慣性坐標系到體坐標系的姿態矩陣；

根據所述慣性坐標系到體坐標系的姿態矩陣、著陸器相對于火星的方向矢量和著陸器距離火星中心的距離求解得到著陸器的慣性位置；根據所述慣性坐標系到體坐標系的姿態矩陣、著陸器的慣性位置和測速敏感器觀測量求解得到著陸器的慣性速度。