一种基于多源信息融合的火星最终接近段自主导航方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种火星最终接近段自主导航方法，属于深空探测技术领域。
【背景技术】
[0002] 为探寻火星上存在的生命痕迹，了解其地质成分及演化过程，新一代的火星探测 任务需要探测器具备定点着陆的能力（着陆精度<l〇〇m)，W安全到达具有科学研究价值的 特定区域。火星最终接近段的导航性能直接决定了探测器在大气进入点处的状态估计精 度，对进入段导航与制导效果，W及着陆器最终着陆精度，都会产生重要影响。
[0003] 在过去已实施的火星探测任务中，探测器在最终接近段大多采用基于地面深空网 络的无线电跟踪测量。由于地火距离遥远，地面测控信号的强度随距离的增加逐渐衰减，导 航误差也随之增大。且探测器与测控站之间存在较大的通信延时，地面缺乏对探测器实时 导航与控制的能力，无法及时处理复杂深空环境中的突发事件。因此，需要构建火星最终接 近段自主导航方案W提高最终着陆精度。
[0004] 有学者提出增加光学导航辅助地面测量，但在接近段末端，由于成像面积过大而 难W提取火星的中屯、点坐标，导致光学导航无法进行。另有学者提出利用探测器与装配有 无线电收发装置的轨道器进行通信，获取测距及多普勒测速信息，辅助地面定轨。但现阶段 轨道器数量有限，由于火星遮挡，探测器受可见弧段约束，测量信息无法实时获得。且W上 导航方案都主要依赖于地面测控，仍然难W保证探测器最终接近段的实时自主导航。
[0005] 本发明针对现有技术存在的问题，提出一种基于多源信息融合的自主导航方案， W期为未来火星探测任务最终接近段自主导航方案设计提供技术支持。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提高火星最终接近段自主导航的精度与实时性，并可 提高导航系统的可靠性及容错性。本发明公开的一种基于多源信息融合的火星最终接近段 自主导航方法，针对火星最终接近段自主导航问题，结合光学导航、无线电导航W及X射线 脉冲星导航的适用范围和测量特性，提出一种基于多源信息融合的火星最终接近段自主导 航方案，提高火星最终接近段自主导航的精度与实时性。
[0007] 本发明是通过W下述技术方案实现的：
[000引本发明公开的一种基于多源信息融合的火星最终接近段自主导航方法，基于火星 最终接近段动力学模型，结合了光学测量、基于火星轨道器的无线电测量W及X射线脉冲 星测量信息，基于联邦滤波结构，在其适用范围内有效融合，互为备份，充分发挥各种导航 系统的优势，W无线电径向测量信息弥补光学导航沿光轴方向估计信息不足的缺陷，并引 入脉冲星测量覆盖接近段全过程。在建立火星最终接近段状态模型和火星最终接近段自主 导航测量模型基础上，利用联邦结构的组合导航滤波算法解算探测器实时导航状态信息， 实现火星最终接近段实时自主导航。
[0009] 本发明公开的一种基于多源信息融合的火星最终接近段自主导航方法，具体实施 步骤如下：
[0010] 步骤1 ;建立火星最终接近段状态模型。
[0011] 在日屯、惯性坐标系下建立探测器状态模型。探测器的状态矢量为位置矢量r,= 打1^，^嘴速度矢量^^=[乂,，乂,，乂,]\考虑太阳引力、火星引力化及其他摄动力，火星最 终接近段探测器的状态模型建立为：
[0012]
【主权项】
1. 一种基于多源信息融合的火星最终接近段自主导航方法，其特征在于：基于火星最 终接近段动力学模型，结合了光学测量、基于火星轨道器的无线电测量以及X射线脉冲星 测量信息，基于联邦滤波结构，在其适用范围内有效融合，互为备份，充分发挥各种导航系 统的优势，以无线电径向测量信息弥补光学导航沿光轴方向估计信息不足的缺陷，并引入 脉冲星测量覆盖接近段全过程；在建立火星最终接近段状态模型和火星最终接近段自主导 航测量模型基础上，利用联邦结构的组合导航滤波算法解算探测器实时导航状态信息，实 现火星最终接近段实时自主导航。
2. 如权利要求1所述的一种基于多源信息融合的火星最终接近段自主导航方法，其特 征在于：具体实现步骤如下， 步骤1 :建立火星最终接近段状态模型； 在日心惯性坐标系下建立探测器状态模型；探测器的状态矢量为位置矢量^ = [rx,ry,rz]T和速度矢量vs=[vx,vy,vz]T;考虑太阳引力、火星引力以及其他摄动力，火星最 终接近段探测器的状态模型建立为：
其中&和yM分别为太阳和火星的引力常数，rM为火星的位置矢量，a为其他未建模 摄动力矢量；此外rMs为探测器相对于火星的位置矢量，满足： rMs=rs-rM (2) 进而火星最终接近段探测器的动力学模型可描述为土 = /(4，其中x= ; 步骤2 :建立火星最终接近段自主导航测量模型；火星最终接近段自主导航测量模型 包括光学导航测量模型，无线电导航测量模型和X射线脉冲星导航测量模型； 利用安装在探测器上的导航相机对火星进行拍摄；通过调整探测器姿态，使光学敏感 器的光轴始终指向火星，并对拍摄到的火星图像进行处理，提取出火星光心在平面上的中 心点坐标； 在日心惯性系中，拍摄时刻火星中心火相对探测器的方向矢量为：
其中，rMy，rMz]T为火星的位置矢量； 由日心惯性系转换到相机本体坐标系的转换矩阵为L，通过姿态确定系统获得；火星 中心相对探测器的方向矢量在相机本体系中可表示为：
将该方向矢量向相机像平面投影，不考虑相机电磁畸变和光学畸变，得到火星中心像 素坐标为：
其中，f为导航相机的焦距，Kx,Ky为像素转换系数； 光学导航测量模型为：
式中，e,为测量误差，认为服从高斯分布；在火星最终接近段采用光学测量信息，自主 性好，可实施性强； 同时，通过探测器与装备有无线电收发装置的位置确定的火星轨道器的无线电测量及