[發明專利]一種航天器慣性和太陽多普勒速度組合導航方法

有效

• 申請號: 202011467901.3
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112525204B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 寧曉琳;黃玉琳;楊雨青;房建成
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24
• 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

本發明涉及一種航天器慣性和太陽多普勒速度組合導航方法，將慣性導航與多普勒測速方法相結合，首先根據慣性導航系統的誤差方程建立系統狀態模型，然后利用光譜儀獲得的太陽多普勒速度作為量測量，并建立太陽多普勒速度量測模型，最后使用UKF濾波估計航天器的位置、速度和姿態。本發明屬于航天器自主導航領域，可為航天器提供高精度的位置、速度及姿態信息，對航天器導航具有重要的實際意義。

技術領域

本發明屬于航天器自主導航領域，涉及一種航天器慣性和太陽多普勒速度組合導航方法。

背景技術

航天器的發展在國防、信息通訊與科技創新中占有重要地位，而導航系統作為航天器上的重要設備，為航天器的操作或控制系統提供有關運動參數，從而引導航天器按所需速度和軌跡從起始點運動到目的地，對航天器的飛行任務有著不可忽視的作用。

慣性導航根據慣性測量單元(Inertial?Measurement?Unit,IMU)中陀螺儀和加速度計的輸出，利用積分的方法確定航天器的位置、速度和姿態，具有獨立性強、輸出頻率高、隱蔽性好、較為成熟等特點。由于具有優良性能，被廣泛的應用在各類航天器中，但由于慣性測量單元中的陀螺和加速度計不可避免的存在誤差，并隨時間累積，嚴重影響導航精度，因此常與其他導航系統組合起來用以改善導航性能。天文導航誤差不隨時間積累，和慣導具有互補性，因此常選用天文導航加以輔助，慣性/天文組合導航成為自主導航中的有效手段。傳統的慣性/天文組合導航是利用天文導航中星敏感器提供的姿態信息來修正慣導的姿態誤差和陀螺漂移，從而得到高精度姿態，并不能直觀修正慣性導航速度與位置誤差。而不管在什么領域，速度信息都至關重要，會對導航精度產生巨大影響，因此迫切需要尋找一種合適的天文導航方法來校正慣導的速度信息。研究發現，在航海領域的自主水下航行器導航系統中，常常使用多普勒計程儀器來修正慣性導航的速度，能夠顯著提升航行器的速度精度，據此提出在航天器導航中使用太陽多普勒速度信息輔助慣導，以此來修正速度，提高航天器速度與位置精度。

在深空探測任務中，研究一種全自主、高精度的導航方法具有十分重要的意義。本發明提出的一種航天器慣性和太陽多普勒速度組合導航方法，在傳統慣性導航的基礎上，輔助太陽多普勒速度導航，能夠實現兩種導航方法的優勢互補，既保留慣導自主性強、輸出信息全面的特點，也能夠直接提高速度精度，間接修正位置，大幅度提高導航系統的準確性與可靠性。考慮到它們在工作原理與信息來源上的互補特性，對于長時間、長距離的航天器自主導航任務，利用太陽多普勒速度信息輔助慣性導航實現航天器自主導航是一種可行且值得深入研究的方法。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：傳統的慣性/天文組合導航方法，大多利用星敏感器輸出的姿態信息來修正慣導的姿態，無法直觀修正慣導的速度與位置誤差，而速度信息至關重要，會對導航精度產生巨大影響。為解決航天器導航中傳統慣性/天文組合導航方法無法直觀修正慣導速度的問題，為航天器提供一種將慣性導航與太陽多普勒速度導航結合起來的自主導航方法，利用太陽多普勒速度導航輔助慣導獲得高精度速度信息。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案為：一種航天器慣性和太陽多普勒速度組合導航方法，實現為：

第一步，根據慣性導航系統的誤差方程建立系統狀態模型；

第二步，利用光譜儀獲得太陽多普勒速度，并建立太陽多普勒速度量測模型；

第三步，基于第一步中的狀態模型和第二步中的量測模型，采用UKF濾波估計航天器的位置、速度和姿態。

具體包括以下步驟：

1、建立基于慣性導航誤差方程的系統狀態模型

慣性導航通過慣性測量單元IMU測量航天器相對慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運動定律自動推算航天器的瞬時速度和位置信息。在捷聯慣性導航系統下，IMU通常由三個正交加速度計和三個正交陀螺儀組成，整個組件直接安裝在航天器本體上。根據慣性導航原理，系統的狀態模型為：