一种深空探测自主导航初始基准捕获方法
【专利摘要】一种深空探测自主导航初始基准捕获方法，包括步骤为：初始惯性姿态基准确定、捕获过程的姿态和非引力速度增量确定、捕获过程的速度增量确定、引力速度增量确定、天体中心方向确定、三维速度的确定和预测和高度确定和预测。本发明提高了动力下降初始导航基准确定精度，降低了对地面测控和进入段惯性导航的要求，满足了未来高精度着陆与避障探测任务对高精度导航的要求。
【专利说明】一种深空探测自主导航初始基准捕获方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种深空探测自主导航初始基准捕获方法，主要应用于深空着陆和上升探测器，属于航天器制导、导航与控制【技术领域】。可应用于月球以及火星、小行星等深空天体探测任务，具有广泛的应用价值和市场前景。
【背景技术】
[0002]受限于行星大气环境条件以及距离约束，对于进入火星等行星的飞行过程，地面测控延迟大且测量精度较差，探测器工作过程无法得到地面的实时支持。对于着陆极其重要的动力下降初始导航基准，就需要探测器星上自主确定。已有的火星探测器的动力下降初始导航基准一般由进入过程的惯性导航确定。由于进入过程惯性导航误差的积累，初始导航基准误差一般都较大，很难实现后续任务的高精度导航与控制。
[0003]早期的火星着陆探测器都采用气囊方式着陆，对初始导航基准要求不高。近期的凤凰号探测器和火星科学实验室(好奇号)采用了事先筛选高概率安全着陆区来避免大障碍的危害，避开了高精度导航与避障控制问题。对于未来深空着陆探测任务，需要着陆器能够精确到达存在障碍特征(如坑、岩石等)的区域，要求着陆器必需具有高精确自主导航与控制功能。
【发明内容】
[0004]本发明技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种深空探测自主导航初始基准捕获方法，提高了动力下降初始导航基准确定精度，降低了对地面测控和进入段惯性导航的要求，满足了未来高精度着陆与避障探测任务对高精度导航的要求。
[0005]本发明技术方案:一种深空探测自主导航初始基准捕获方法，其特点在于:
[0006]( I)初始惯性姿态基准确定
[0007]对于探测器进入行星大气过程，探测器到达预定高度(如8km)时，探测器完成抛防热大底后(所谓“抛防热大底”就是探测器主动抛掉罩在探测器底部的防高温设备)，启动测距测速敏感器；根据测距敏感器提供的信息，到达预定高度(如3km)切除探测器的降落伞，一旦完成切伞，就确定当时的本体姿态为初始惯性姿态基准；
[0008](2)捕获过程的姿态和非引力速度增量确定
[0009]利用捕获过程的IMU测量数据，根据步骤(I)确定的初始惯性姿态基准，积分陀螺测量的角速度，得到捕获过程的惯性姿态，并根据测量的加速度确定推力、大气阻力等非引力引起的速度增量；
[0010](3)捕获过程的速度增量确定
[0011]利用捕获过程的测速敏感器测量数据，根据步骤(2)确定的惯性姿态，确定测量周期内探测器的总速度增量。
[0012](4)引力速度增量确定
[0013]将步骤(3)确定的测量周期内探测器的总速度增量减去对应的步骤(2)确定的非引力引起的速度增量，确定每个测量周期内的引力速度增量。
[0014](5)天体中心方向确定
[0015]将步骤(4)确定的每个测量周期内的引力速度增量进行单位化，得到多个测量周期的引力方向，将多个测量周期的引力方向进行平均确定引力方向，即确定了初始惯性姿态基准下的天体中心方向；
[0016](6)三维速度的确定和预测
[0017]利用多个波束测速信息，根据测速波束指向和惯性姿态确定探测器的三维速度；根据测量的加速度确定非引力产生的速度增量，基于步骤(5)确定的天体中心方向计算确定天体引力产生的速度增量，这两项速度增量相加，得到总速度增量，再根据上周期的速度预测当前的速度；最后利用当前的多个波束测量信息对预测的当前速度进行修正；
[0018](7)高度确定和预测
[0019]基于步骤(5)确定的天体中心方向，就可以将合成三维速度测量和测距信息投影到垂向，得到垂向速度和高度信息，垂向速度用于无测距信息时的高度信息预测。
[0020]本发明与现有技术相比的优点在于:本发明提高了动力下降初始导航基准确定精度，降低了对地面测控和进入段惯性导航的要求，满足了未来高精度着陆与避障探测任务对高精度导航的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1深空探测自主导航初始基准捕获方法流程图。
【具体实施方式】
[0022]如图1所示，本发明具体实现如下:
[0023]第一步，进行初始惯性姿态基准确定
[0024]对于探测器进入行星大气过程，探测器到达预定高度(如8km)时，探测器完成抛防热大底后(所谓“抛防热大底”就是探测器主动抛掉罩在探测器底部的防高温设备)，启动测距测速敏感器；根据测距敏感器提供的信息，到达预定高度(如3km)切除探测器的降落伞，一旦完成切伞，就确定当时的本体姿态(Q= [0001]τ)为初始惯性姿态基准。
[0025]第二步，捕获过程的姿态和非引力速度增量确定
[0026]利用捕获过程的IMU测量数据，根据步骤(1)确定的初始惯性姿态基准，积分陀螺测量的角速度，得到捕获过程的惯性姿态，并根据测量的加速度确定推力、大气阻力等非引力引起的速度增量；
[0027]设陀螺测量的角速度为，则姿态运动方程可以用四元数描述为:
[0028]q = Eq (q)o)b(I)
[0029]其中
【权利要求】
1.一种深空探测自主导航初始基准捕获方法，其特点在于实现步骤如下: (1)初始惯性姿态基准确定 对于探测器进入行星大气过程，探测器到达预定高度时，探测器完成抛防热大底后，启动测距测速敏感器；根据测距敏感器提供的信息，到达预定高度切除探测器的降落伞，一旦完成切伞，就确定当时的本体姿态为初始惯性姿态基准； (2)捕获过程的姿态和非引力速度增量确定 利用捕获过程的IMU测量数据，根据步骤(I)确定的初始惯性姿态基准，积分陀螺测量的角速度，得到捕获过程的惯性姿态，并根据测量的加速度确定推力、大气阻力等非引力引起的速度增量； (3)捕获过程的速度增量确定 利用捕获过程的测速敏感器测量数据，根据步骤(2)确定的惯性姿态，确定测量周期内探测器的总速度增量； (4)引力速度增量确定 将步骤(3)确定的测量周期内探测器的总速度增量减去对应的步骤(2)确定的非引力引起的速度增量，确定每个测量周期内的引力速度增量； (5)天体中心方向确定 将步骤(4)确定的每个测量周期内的引力速度增量进行单位化，得到多个测量周期的引力方向，将多个测量周期的引力方向进行平均确定引力方向，即确定了初始惯性姿态基准下的天体中心方向； (6)三维速度的确定和预测 利用多个波束测速信息，根据测速波束指向和惯性姿态确定探测器的三维速度；根据测量的加速度确定非引力产生的速度增量，基于步骤(5)确定的天体中心方向计算确定天体引力产生的速度增量，这两项速度增量相加，得到总速度增量，再根据上周期的速度预测当前的速度；最后利用当前的多个波束测量信息对预测的当前速度进行修正； (7)高度确定和预测 基于步骤(5)确定初始惯性姿态基准下的天体中心方向，将合成三维速度测量和测距信息投影到垂向，得到垂向速度和高度信息，垂向速度用于无测距信息时的高度信息预测。
【文档编号】G01C21/00GK103884333SQ201410126755
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】黄翔宇, 王大轶, 李茂登 申请人:北京控制工程研究所