[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

本發明公開一種基于星歷約束輔助的自主天文導航方法，屬于深空探測技術領域。本方法基于火星環繞段動力學模型建立導航狀態方程，以火星衛星為導航目標天體建立導航觀測模型，結合非線性濾波算法進行自主天文導航，在此基礎上引入導航目標天體星歷誤差約束，采用概率密度函數截斷法對濾波結果做進一步修正，能夠保證濾波收斂并有效提高導航精度。

技術領域

本發明涉及一種基于星歷約束輔助的自主天文導航方法，屬于深空探測技術領域。

背景技術

深空探測任務飛行距離遠、空間環境復雜，僅依賴地面測控網進行導航在定位精度、實時性及可靠性方面存在諸多限制。基于光學測量的自主天文導航技術是解決這一問題的有效途徑。在接近和環繞目標天體的探測階段，可以利用行星及其衛星的視線方向或與背景恒星的角距等信息，估計探測器的位置和速度。然而在具體實施過程中，目標天體的星歷誤差會對導航性能產生很大影響，引起估計誤差增大甚至濾波發散現象。以火星系統為例，兩顆火星衛星(Phobos,Deimos)是接近和環繞過程中的理想導航天體，但其星歷誤差在公里量級，并呈現出周期性變化。另外，由于受火星遮擋、太陽光照等因素影響，可見弧段受限。因此，需要采取適當措施，避免導航性能劣化。

發明內容

本發明解決的技術問題是克服現有技術的不足，提出一種基于星歷約束輔助的自主天文導航方法，解決了星歷誤差和觀測受限引起的導航性能劣化。

本發明的技術方案是：一種基于星歷約束輔助的自主天文導航方法，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