基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法及系统，包括将地面定位结果输入拓展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程，将无线电测轨数据输入拓展后的地面无线电导航观测方程，将获取到的预测信息和状态修正量输入导航滤波器，将获取到的深空导航模型不确定项的值，以及相应位置矢量和速度矢量的值输入拓展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程和地面无线电导航观测方程，不断将新的预测信息和状态修正量输入导航滤波器，以获取不确定项的以及相应的位置矢量和速度矢量的新的值。本发明能够精确的估计深空探测器在深空飞行过程中导航模型中的不确定度，实现对深空探测器位置速度信息的高精度计算，从而提高深空探测器导航精度。
【专利说明】基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法及系统
[0001]
【技术领域】
[0002] 本发明涉及一种基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法及系统。
[0003]
【背景技术】
[0004] 相比常规地球轨道航天器，深空探测器具有长达数月至数年的星际轨道飞行阶 段，该个阶段的探测器动力模型中，各天体的引力项已能较为精确的建模，但与探测器相关 的非引力项模型还存在很大的不确定度。同时，深空探测器在长期的星际飞行段将利用姿 控推力器对飞轮进行卸载，理论上是力偶控制的姿控推力，在实际工程中无法实现，并使探 测器产生一个平移速度增量，改变探测器的轨道。在漫长的星际飞行阶段，要进行成百上千 次飞轮卸载工作，每次推力器工作对探测器轨道的改变将累积并放大，影响探测器导航预 报精度。对于导航模型中的该些非引力项不确定度的准确估计，才能进一步提高探测器的 导航精度。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法及 系统，能够精确的估计深空探测器在深空飞行过程中导航模型中的不确定度，实现对深空 探测器位置速度信息的高精度计算，从而提高深空探测器导航精度。
[0007] 为解决上述问题，本发明提供一种基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方 法，包括： 步骤一：根据深空导航模型不确定项对深空探测器星际转移轨道动力学方程进行拓 展，其中，所述深空导航模型不确定包括深空探测器的受晒截面积A的不确定度为5 A、综 合吸收系数k的不确定度5 k和姿态推力器工作产生的净速度增量A V的不确定度5v; 步骤二：根据深空导航模型不确定项对地面无线电导航观测方程进行拓展； 步骤H;根据拓展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程和地面无线电导航观测方 程生成导航滤波器； 步骤四：将地面定位结果输入所述拓展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程，W 获取预测信息； 步骤五：将无线电测轨数据输入所述拓展后的地面无线电导航观测方程，W获取状态 修正量； 步骤六：将所述预测信息和状态修正量输入所述导航滤波器，W获取深空导航模 型不确定项5 A、5 k和5 V的值，W及相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量 r,和速度矢量的值； 步骤走：将深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V的值，W及相应的探测器在日也天球 坐标系下的位置矢量r,和速度矢量V,的值输入所述拓展后的深空探测器星际转移轨道动 力学方程，W获取新的预测信息； 步骤八：将深空导航模型不确定项5A、5k和5v的值、相应的探测器在日也天球坐标 系下的位置矢量和速度矢量的值，W及无线电测轨数据输入所述拓展后的地面无线 电导航观测方程，W获取新的状态修正量； 步骤九：将新的预测信息和新的状态修正量输入所述导航滤波器，W获取深空导航模 型不确定项5 A、5 k和5 V的新的值，W及相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量 和速度矢量的新的值； 步骤十：将深空导航模型不确定项5A、5k和5v的新的值，W及相应的探测器在日也 天球坐标系下的位置矢量fg和速度矢量V,的新的值输入所述拓展后的深空探测器星际转 移轨道动力学方程，W获取新的预测信息； 步骤十一；将深空导航模型不确定项5A、5k和5 V的新的值、相应的探测器在日也天 球坐标系下的位置矢量和速度矢量、V的新的值，W及无线电测轨数据输入所述拓展后 的地面无线电导航观测方程，W获取新的状态修正量； 步骤十二；重复上述步骤八至步骤十一，直至获取到的深空导航模型不确定项5 A、 5 k和5 V的新的值为误差最小值，W及相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量 和速度矢量V,的新的值为误差最小值。
[0008] 进一步的，在上述方法中，步骤一包括： 将深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V增加加入所述深空探测器星际转移轨道动力 学方程的状态变量中，W对状态变量进行扩维； 根据扩维后的状态变量获取状态转移矩阵K ; 根据所述状态转移矩阵K获取所述拓展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程。
[0009] 进一步的，在上述方法中，所述状态转移矩阵K的形式如下：
【权利要求】
1. 一种基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法，其特征在于，包括： 步骤一：根据深空导航模型不确定项对深空探测器星际转移轨道动力学方程进行拓 展，其中，所述深空导航模型不确定包括深空探测器的受晒截面积A的不确定度为5 A、综 合吸收系数k的不确定度5 k和姿态推力器工作产生的净速度增量A V的不确定度5v; 步骤二：根据深空导航模型不确定项对地面无线电导航观测方程进行拓展； 步骤H;根据拓展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程和地面无线电导航观测方 程生成导航滤波器； 步骤四：将地面定位结果输入所述拓展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程，W 获取预测信息； 步骤五：将无线电测轨数据输入所述拓展后的地面无线电导航观测方程，W获取状态 修正量； 步骤六：将所述预测信息和状态修正量输入所述导航滤波器，W获取深空导航模 型不确定项5 A、5 k和5 V的值，W及相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量 和速度矢量V,的值； 步骤走：将深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V的值，W及相应的探测器在日也天球 坐标系下的位置矢量r,和速度矢量的值输入所述拓展后的深空探测器星际转移轨道动 力学方程，W获取新的预测信息； 步骤八：将深空导航模型不确定项5A、5k和5v的值、相应的探测器在日也天球坐标 系下的位置矢量.，> 和速度矢量Vf的值，W及无线电测轨数据输入所述拓展后的地面无线 电导航观测方程，W获取新的状态修正量； 步骤九：将新的预测信息和新的状态修正量输入所述导航滤波器，W获取深空导航模 型不确定项5 A、5 k和5 V的新的值，W及相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量 和速度矢量的新的值； 步骤十：将深空导航模型不确定项5A、5k和5v的新的值，W及相应的探测器在日也 天球坐标系下的位置矢量r,和速度矢量V,的新的值输入所述拓展后的深空探测器星际转 移轨道动力学方程，W获取新的预测信息； 步骤十一；将深空导航模型不确定项5A、5k和5 V的新的值、相应的探测器在日也天 球坐标系下的位置矢量和速度矢量的新的值，W及无线电测轨数据输入所述拓展后 的地面无线电导航观测方程，W获取新的状态修正量； 步骤十二；重复上述步骤八至步骤十一，直至获取到的深空导航模型不确定项5 A、 5 k和5 V的新的值为误差最小值，W及相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量 和速度矢量Vf的新的值为误差最小值。
2. 如权利要求1所述的基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法，其特征在 于，步骤一包括： 将深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V增加加入所述深空探测器星际转移轨道动力 学方程的状态变量中，w对状态变量进行扩维； 根据扩维后的状态变量获取状态转移矩阵K ; 根据所述状态转移矩阵K获取所述拓展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程。
3. 如权利要求1所述的基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法，其特征在 于，所述状态转移矩阵K的形式如下：
其中，Xi至Xg为所述深空探测器星际转移轨道动力学方程的状态变量X的九个分量，
，X、J和J为位置矢量的H个分量，去、j和^为速度矢量Vp的H个分量。
4. 如权利要求1所述的基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法，其特征在 于，步骤二包括： 将深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V增加加入所述地面无线电导航观测方程的状 态变量中，W对状态变量进行扩维； 根据扩维后的状态变量获取扩维观测矩阵H ; 根据所述扩维观测矩阵H获取所述拓展后的地面无线电导航观测方程。
5. 如权利要求4所述的基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法，其特征在
于，所述扩维观测矩阵H的形式如下：
I 其中，Zi至Zg为所述无线电测轨数据。
6. 如权利要求1所述的基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法，其特征 在于，所述导航滤波器采用如下公式新巧=1巧，怎-1)牛巧巧巧脚-Ml化1)，词） ，其中表示步数，i'脚表示某一步获取到的深空导航模型不确定项5 A、 5k和5 V的值W及相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量和速度 矢量y,的值，义化^1)表示预测信息，巧巧巧脚-词1化4-9片}表示状态 修 正量，
，/[I战表示标称状态，了表示两步之间的时差，
初始值为 1 识 0)二巧巧0)} + A(0)，巧0,巧二 Var{Z(Xl)} =巧(0)， 表示单位矩阵。 I
7. -种基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计系统，其特征在于，包括： 第一拓展模块，用于根据深空导航模型不确定项对深空探测器星际转移轨道动力学方 程进行拓展，其中，所述深空导航模型不确定包括深空探测器的受晒截面积A的不确定度 为5A、综合吸收系数k的不确定度5k和姿态推力器工作产生的净速度增量Av的不确定 度5v ;
第二拓展模块，根据深空导航模型不确定项对地面无线电导航观测方程进行拓展； 导航滤波器生成模块，用于根据拓展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程和地面 无线电导航观测方程生成导航滤波器； 预测信息模块，用于将地面定位结果输入所述拓展后的深空探测器星际转移轨道动力 学方程，W获取预测信息；及将从估计模块获取的深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V的 值，W及相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量r,和速度矢量Vf的值输入所述拓 展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程，W获取新的预测信息；并将从估计模块获取 的深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V的新的值，W及相应的探测器在日也天球坐标系 下的位置矢量和速度矢量Vp的新的值输入所述拓展后的深空探测器星际转移轨道动力 学方程，W获取新的预测信息； 状态修正量模块，用于将无线电测轨数据输入所述拓展后的地面无线电导航观测方 程，W获取状态修正量；及将从估计模块获取的深空导航模型不确定项5 A、5 k和5v的 值、相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量和速度矢量Vf的值，W及无线电测轨 数据输入所述拓展后的地面无线电导航观测方程，W获取新的状态修正量；并将从估计模 块获取的深空导航模型不确定项5A、5k和5 V的新的值、相应的探测器在日也天球坐标 系下的位置矢量和速度矢量V,的新的值，W及无线电测轨数据输入所述拓展后的地面 无线电导航观测方程，W获取新的状态修正量； 估计模块，用于将从预测信息模块获取的所述预测信息和从状态修正量模块获取的状 态修正量输入所述导航滤波器，W获取深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V的值，W及相 应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量r,和速度矢量V,的值；及将从预测信息模块 获取的新的预测信息和从状态修正量模块获取的新的状态修正量输入所述导航滤波器，W 获取深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V的新的值，W及相应的探测器在日也天球坐标 系下的位置矢量和速度矢量V,的新的值，直至获取到的深空导航模型不确定项5 A、5 k 和5 V的新的值为误差最小值，W及相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量r,和速 度矢量V,的新的值为误差最小值时结束。
8. 如权利要求7所述的基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计系统，其特征在 于，所述第一拓展模块用于： 将深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V增加加入所述深空探测器星际转移轨道动力 学方程的状态变量中，W对状态变量进行扩维； 根据扩维后的状态变量获取状态转移矩阵K ; 根据所述状态转移矩阵K获取所述拓展后的深空探测器星际转移轨道动力学方程。
9. 如权利要求8所述的基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计系统，其特征在 于，所述状态转移矩阵K的形式如下：
其中，Xi至Xg为所述深空探测器星际转移轨道动力学方程的状态变量X的九个分量， ，、 和为位置矢量的H个分量，、和为速度矢量的H个分量。 X y Z 表 y 呈 V?
10. 如权利要求7所述的基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计系统，其特征在 于，所述第二拓展模块用于： 将深空导航模型不确定项5 A、5 k和5 V增加加入所述地面无线电导航观测方程的状 态变量中，W对状态变量进行扩维； 根据扩维后的状态变量获取扩维观测矩阵H ; 根据所述扩维观测矩阵H获取所述拓展后的地面无线电导航观测方程。
11. 如权利要求10所述的基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计系统，其特征在 于，所述扩维观测矩阵H的形式如下：
其中，Zi至Zg为所述无线电测轨数据。
12.如权利要求7所述的基于轨道反演的导航模型不确定度精确估计方法，其特征在 t所述导航滤波器采用如下公式1(巧=1化.t-巧+巧巧口脚-坤1化k-化巧} ，其中，表示步数，歲巧表示某一步获取到的深空导航模型不确定项5 A、 5k和5 V的值W及相应的探测器在日也天球坐标系下的位置矢量fp和速度 矢量Vf的值，义化A-1)表示预测信息，巧巧巧(巧-刮1化化翊表示状态 修 正量，名炸，*-1)二 1悚-9+/[1 巧-：I)，lw]了+ 4若悚-巧]/[1巧-1)為_1]^ ，/皆战表示标称状态，了表示两步之间的时差， K(k')二 P(k，k - VjHT律)[H(k)P(、k，k - V)HT货)+ R(玲]-1， 巧共皮-1) = ?巧，A - 1)F巧-1)丕r成皮-1) +呂(占-1)， 初 始值为 1化0)=盈{巧巧}+^(0)， 巧0,巧二Var{Z脚}二巧(0)， 表示单位矩阵。 I
【文档编号】G01C21/24GK104422464SQ201310377087
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】刘宇, 王卫华, 尹海宁, 王钦, 刘珊珊, 谭天乐 申请人:上海新跃仪表厂