[發明專利]一種月球探測器測角/時間差分距離/速度組合導航方法

有效

• 申請號: 202010400353.6
• 申請日: 2020-05-13
• 公開（公告）號: CN111551172B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 吳偉仁;寧曉琳;梁曉鈺
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02;G01C21/16;G01C23/00;B64G1/10;B64G1/24;G06F17/11;G06F17/16;G06F17/18
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗;鄧治平

本發明涉及一種月球探測器測角/時間差分距離/速度組合導航方法，首先根據軌道動力學建立探測器的狀態模型，再分別利用天體敏感器獲得星光角距，無線電接收機接收來自地面站或中繼衛星的無線電距離和多普勒速度并進行時間差分獲得無線電時間差分距離和時間差分多普勒速度以消除時鐘誤差和頻率漂移誤差，并以天文測角/無線電時間差分距離/差分多普勒速度作為量測量，之后分別建立星光角距、無線電時間差分距離及無線電時間差分多普勒速度量測模型，離散化后使用UKF濾波估計探測器的位置和速度。本發明屬于月球探測器自主導航領域，本發明估計精度高，對探測器自主導航具有重要的實際意義。

技術領域

本發明屬于月球探測器自主導航領域，涉及一種月球探測器測角、時間差分距離和速度組合導航方法。

背景技術

深空探測技術作為一個國家綜合國力和科學技術發展水平的重要特征與標志，已引起世界各國的極大關注。我國把月球探測作為在深空探測中的第一步。“嫦娥四號”作為我國發射的世界首個在月球背面巡視探測的探測器，對月球背面的科學探索發揮著重要的作用。高精度導航是任務完成的關鍵之一。

目前，航天器主要通過地面站遙測導航，但是對于月球背面，存在著無法直接與地球通信的局限性，因此迫切需要實現自主導航。可用于月球探測器的自主導航方法主要有天文測角導航方法。天文測角導航方法通過測量探測器與近天體及導航恒星之間的夾角獲得探測器的位置信息，但這種方法的導航精度隨著探測器與近天體間距離的增加而下降，且無法提供速度信息。地面站或中繼衛星(鵲橋)無線電通訊導航可以同時提供距離和速度信息，且只需接收無需回傳無線電信號，從而實現自主導航信息處理。但是接收機的頻率漂移誤差及星載原子鐘的時間測量誤差差將影響無線電通訊導航精度。

發明內容

本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種月球探測器測角/時間差分距離/速度組合導航方法，利用星光角距量測量提供絕對位置信息，利用無線電時間差分距離和速度減弱系統誤差的影響，提供探測器相對地面站或中繼衛星(鵲橋)位置與速度信息，將三種量測量通過UKF濾波組合，為月球探測器提供高精度的導航信息。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案為：根據軌道動力學建立探測器的狀態模型，利用天體敏感器獲得星光角距，利用無線電測距獲得探測器相對地面站或中繼衛星(鵲橋)的時間差分距離，同時通過無線電多普勒測速獲得探測器與地面站或中繼衛星(鵲橋)之間的時間差分多普勒速度，然后分別建立星光角距量測模型、無線電時間差分距離和無線電時間差分速度量測模型。離散化后使用UKF濾波估計探測器的位置和速度。

具體包括以下步驟：

1.建立基于軌道動力學的系統狀態模型

將月球探測器的運動描述為以月球為中心天體的受攝三體模型，將其他擾動視為過程噪聲；在月球中心慣性坐標系下的動力學模型可寫為：

其中||·||表示矢量的2范數，||·||³表示||·||的立方，r和v是探測器相對月球的位置和速度。μ_m和μ_e分別是月球和地球的引力常數，r_e是地球相對月球的位置矢量，r_me＝r-r_e是探測器相對地球的位置矢量；w是各種擾動造成的過程噪聲；

可由上式得到狀態模型如下：

其中狀態量X＝[r,v]^T為探測器在月球慣性坐標系下的位置及速度，為狀態量X的導數，為時刻t的f(X(t),t)為系統非線性連續狀態轉移函數，w為過程噪聲，w(t)為時刻t的w。

2.建立星光角距的量測模型

利用天體敏感器獲得月球與恒星一、恒星二間的星光角距，以這些星光角距作為量測量建立量測模型：