[發明專利]一種基于星歷約束輔助的自主天文導航方法

有效

• 申請號: 202010398979.8
• 申請日: 2020-05-12
• 公開（公告）號: CN111637896B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 王碩;李茂登;黃翔宇;石恒;徐超
• 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;G01C21/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張曉飛

1.一種基于星歷約束輔助的自主天文導航方法，其特征在于實現具體步驟如下：

步驟1：建立基于火星環繞段動力學模型的導航狀態方程

其中，為導航系統狀態變量，r_s，v_s分別為探測器的位置矢量和速度矢量；r_p，v_p分別為火星衛星的位置矢量和速度矢量，w為非相關過程噪聲，遵循公式(2)的統計特性，其中Q為過程噪聲協方差矩陣；

E(w)＝0,E(ww^T)＝Q (2)

步驟2：建立探測器導航觀測模型

z＝h(x)+ν (3)

其中，z為導航系統的觀測量，ν為測量噪聲；

以火星衛星為導航目標天體進行光學測量，觀測量為光學相機提供的導航目標天體視線方向矢量或導航目標天體與背景恒星的夾角；

步驟3：根據火星遮擋、太陽光照的影響，對導航目標天體的可見性作出預測，在可見弧段內，利用非線性濾波算法同步對探測器和導航目標天體的位置、速度狀態進行聯合估計，不可見時，僅利用動力學遞推進行軌道預報；

步驟4：將導航目標天體的位置、狀態轉換為軌道要素，以常量要素為約束建立約束方程

步驟5：根據已知星歷誤差范圍確定約束邊界，利用概率密度函數截斷法對原狀態估計及其協方差進行修正；

所述步驟5中利用概率密度函數截斷法對原狀態估計及其協方差進行修正，具體計算方法如下：

對濾波誤差協方差進行規范化分解，使之滿足條件

P_i＝TWT^T (19)

其中，T為正交矩陣，W為對角矩陣；采用Gram-Schmidt正交化計算矩陣ρ，使之滿足條件

其中Φ_i為雅可比矩陣

將原約束邊界進行變換

得到規范化的標量上下界c_i和d_i，則截斷部分的概率密函數記為

其中erf(·)為誤差函數，定義為

將截斷后的概率密度函數進行歸一化，并計算均值μ和方差σ²

其中，α為歸一化系數

約束后的變換后狀態變量z及其方差C為

z＝[μ 0 … 0]^T (27)

C＝diag(σ²，1，…，1) (28)

對狀態變量及其方差進行反變換，得到約束修正后的狀態估計均值和方差為：

P_i+1＝TW^1/2ρ^TCρW^1/2T^T (30)

對i加1并重復上述操作，獲得下一條約束條件修正后的狀態估計及方差。

2.如權利要求1所述的基于星歷約束輔助的自主天文導航方法，其特征在于：所述步驟1中火星環繞段動力學模型采用火星中心慣性坐標系下考慮J₂擾動項的二體動力學模型，具體形式如下

其中r_x,s，r_y,s，r_z,s是探測器位置矢量r_s的三軸分量，r_s＝|r_s|為探測器到火心的距離，r_x,p，r_y,p，r_z,p是火星衛星位置矢量r_p的三軸分量，r_p＝|r_p|為探測器到火心的距離，μ是火星引力常數，J₂為二階帶諧系數，R_M為火星的平均赤道半徑。