专利名称：一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法
技术领域：
本发明属于深空探测器的制导、导航与控制技术领域，具体涉及一种着陆深空天 体探测器的降维自主导航方法。
背景技术：
由于深空天体与地球之间的远距离，基于地面深空网的导航很难满足深空着陆 GNC系统对探测器状态实时性和精度的要求，因此，自主导航就成为安全和准确地着陆深空 天体探测器的一项关键技术。深空着陆探测器自主导航一般采用的方法是测距仪获取的 高度和测速仪获取的本体系速度作为观测量，利用扩展卡尔曼滤波修正惯性导航的位置和 速度误差。对于这种导航方法，尽管所有轨道参数都是能观的，但是由于一些轨道参数(除 了径向的两维位置)的能观度较低，在导航模型误差和测量噪声特性不确定的影响下，这 些能观度较低的轨道参数不但不收敛，还可能发散，影响自主导航算法的稳定性和关键导 航参数的估计精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，该方法能 够保证自主导航滤波的稳定性和提高关键导航参数的收敛速度和估计精度。实现本发明的技术方案一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，它包括 以下步骤(1)利用陀螺测量的姿态角速度以及加速度计测量的速度增量和轨道初值，确定 当前时刻探测器相对惯性坐标系的姿态以及位置和速度初值；(2)利用测距测速仪测量得到的视线距离确定探测器相对天体中心的距离；(3)利用测距测速仪测量得到的速度以及测距测速仪三个测速波束安装指向确定 探测器相对惯性坐标系的三维速度；(4)构建导航系统的状态量、状态方程、观测量、观测方程和测量噪声方差阵；(5)测量噪声方差阵的无量纲化处理和导航参数能观度的确定；(6)采用分解变换方法处理测量噪声方差阵、观测方程、观测量和观测矩阵，使之 适合采用星上可以实现的基于UD协方差分解的滤波算法；(7)根据步骤(6)确定的观测方程、观测量和观测矩阵，采用UD协方差分解的扩展 卡尔曼滤波确定探测器相对天体中心的距离和速度。所述的步骤(1)中确定当前时刻探测器相对惯性坐标系的姿态以及位置和速度 初值的具体步骤为采用探测器上的陀螺测量探测器姿态角速度^，根据前一时刻、的探测器 惯性姿态四元素H= [Q1 Q2 Q3 q4]T(初始惯性姿态四元素利用着陆过程开始前的星 敏感器测量数据确定)，确定当前时刻t的探测器本体坐标系与惯性系的姿态转换阵
权利要求
1.根据权利要求1所述的一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，其特征在 于它包括以下步骤(1)利用陀螺测量的姿态角速度以及加速度计测量的速度增量和轨道初值，确定当前 时刻探测器相对惯性坐标系的姿态以及位置和速度初值；(2)利用测距测速仪测量得到的视线距离确定探测器相对天体中心的距离；(3)利用测距测速仪测量得到的速度以及测距测速仪三个测速波束安装指向确定探测 器相对惯性坐标系的三维速度；(4)构建导航系统的状态量、状态方程、观测量、观测方程和测量噪声方差阵；(5)测量噪声方差阵的无量纲化处理和导航参数能观度的确定；(6)采用分解变换方法处理测量噪声方差阵、观测方程、观测量和观测矩阵，使之适合 采用星上可以实现的基于UD协方差分解的滤波算法；(7)根据步骤(6)确定的观测方程、观测量和观测矩阵，采用UD协方差分解的扩展卡尔 曼滤波确定探测器相对天体中心的距离和速度。
2.根据权利要求1所述的一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，其特征在 于所述的步骤(1)中确定惯性坐标系的探测器位置和速度的具体步骤为采用探测器上的陀螺测量探测器姿态角速度^，根据前一时刻、的探测器惯 性姿态四元素$= [Q1 Q2 Q3 q4]T，确定当前时刻t的探测器本体坐标系与惯性系的姿态转换阵
3.根据权利要求2所述的一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，其特征在 于所述的步骤O)中确定探测器相对天体中心的距离的具体步骤为利用惯性坐标系的探测器位置，确定探测器相对天体中心方向
4.根据权利要求3所述的一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，其特征在 于所述的步骤(3)中确定探测器相对惯性坐标系的三维速度的具体步骤为采用探测器上的测速仪测量三个非共面波束的速度Vl，v2，V3以及测速仪三个波束安装—,指向 Μ，Tb2' Tb3，确定探测器本体坐标系的三维速度
5.根据权利要求4所述的一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，其特征在 于所述的步骤中构建导航系统的状态量、状态方程、观测量、观测方程和测量噪声方 差阵的具体步骤为选取探测器相对天体中心的径向距离r和惯性坐标系的速度 作为状态量
6.根据权利要求5所述的一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，其特征在 于所述的步骤(5)中测量噪声方差阵的无量纲化处理和导航参数能观度的确定的具体步 骤为单位距离L定义为天体参考半径，单位速度V定义为以参考半径为半长轴的参考圆轨道上的探测器速度厂二.的测量噪声方差阵^=t只需要对测量噪声方差阵R进行无量纲化处理，得到无量纲化RR'LVR/LV /V —定义导航系统能观度矩阵G = ZZr^1//，判断能观度矩阵的条件数Cond(G)是否接近1， 如果能观度矩阵的条件数是否接近1，则执行步骤(6)，否则执行步骤0)。能观度矩阵的条件数接近于1表明导航参数的能观度高。这里的导航参数包括高度和 速度信息。
7.根据权利要求6所述的一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，其特征在 于所述的步骤(6)中解变换方法处理测量噪声方差阵、观测方程、观测量和观测矩阵的具 体步骤为测量噪声方差阵R是对称正定矩阵，对其进行UD分解，可以得到R = BDBt, R' = D对角矩阵。
8.根据权利要求7所述的一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，其特征在 于所述的步骤(7)中根据上述步骤(6)确定的观测方程ζ'、观测量ζ' m、噪声方差阵R' 和观测矩阵H'，采用UD协方差分解的扩展卡尔曼滤波确定探测器相对天体中心的距离 r" = 1(1)和速度义
全文摘要
本发明属于深空探测器的制导、导航与控制技术领域，具体公开一种着陆深空天体探测器的降维自主导航方法，它包括以下步骤确定当前时刻探测器相对惯性坐标系的姿态以及位置和速度初值；确定探测器相对天体中心的距离；确定探测器相对惯性坐标系的三维速度；构建导航系统的状态量、状态方程、观测量、观测方程和测量噪声方差阵；测量噪声方差阵的无量纲化处理和能观度的确定；采用分解变换方法处理测量噪声方差阵、观测方程、观测量和观测矩阵；采用UD协方差分解的扩展卡尔曼滤波确定探测器相对天体中心的距离和速度。本发明的方法能够保证自主导航滤波的稳定性和提高关键导航参数的收敛速度和估计精度。
文档编号G01C21/24GK102116634SQ20091021699
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者王大轶, 黄翔宇 申请人:北京控制工程研究所