专利名称：一种深空探测器火星捕获段自主天文导航方法
技术领域：
本发明涉及在深空探测器处于火星捕获段时，基于火星、火卫一和火卫二角度信息的自主天文导航方法，是一种非常适用于火星捕获段的自主导航方法。
背景技术：
在深空探测器的飞行过程中，探测器火星捕获段的导航精度直接影响了下一阶段的探测任务，如火星捕获着陆等的精度，借力飞行导航精度等，如果这一阶段导航误差太大，就无法及时通过轨道控制推进系统调整探测器的轨道，错过轨道控制的时机后，就无法再调整回预定轨道，不能被火星捕获或由火星借力飞行后轨道严重偏离预定轨道，最终导致深空探测任务的失败。因此深空探测器对火星捕获段的导航品质的要求很高。但处于火星捕获这一阶段的深空探测器距离地球较远，飞行速度较快，飞行距离远，时间长，环境未知性较强，传统上依靠地面测控的深空探测器导航与控制方法在实时性、成本和资源上受到种种限制，存在很多不足，很难满足深空探测一些特殊任务对高精度导航与控制的需要，因而对自主导航的要求更为迫切。由于深空探测器火星捕获段距离太阳和其他各行星的距离都较远，用于近地逃逸轨道或行星着陆等阶段的自主导航方法，如基于IMU、测距测速敏感器、地面图像等的自主导航方法都无法应用，天文导航是唯一有效的自主导航手段。目前可以用于深空探测器火星捕获段的自主导航方式主要有基于小行星的自主天文导航方法、基于脉冲星的自主天文导航方法和基于太阳和大行星的自主天文导航方法。基于小行星的自主天文导航方法是利用地火轨道之间的小行星位置信息来确定探测器的位置，但由于火星捕获阶段可以观测的小行星有限，且对探测器的轨道设计要求较高，因此这种方法无法提供高精度的导航信息且受到小行星交会时间的限制。基于脉冲星的自主天文导航方法是利用脉冲接收机接收宇宙空间中X射线脉冲星的脉冲，测量脉冲到达时间，但由于目前脉冲到达时间测量精度较低，且可用于导航的X射线脉冲星数目较少，因此这种方法尚未实际应用。基于太阳和大行星的自主天文导航方法是借助太阳和大行星的位置信息来确定探测器的位置，由于在捕获火星这一阶段探测器距离火星和火星的卫星较近，适于观测且可以提供精确的图像信息，但是传统上利用图像信息都是基于像元像线这一量测信息，这种方法在敏感器的成像过程受探测器姿态约束，而导航滤波中需要探测器估计姿态确定量测预测值，由于姿态估计信息与真实姿态之间存在误差，因此探测器的姿态估计误差会造成较大的量测预测误差，最终影响探测器的定位精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服基于小行星和脉冲星自主导航方法中导航小行星或导航脉冲星数量少、精度低、对探测器轨道设计要求高等缺点，弥补传统上观测火星、 火卫一和火卫二的方法中像元像线信息受探测器姿态约束这一不足，为深空探测器在捕获火星过程中提供一种高精度的自主天文导航方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为建立高精度的深空探测器的状态模型，通过敏感器获得火星、火星卫星及其相应图像中的背景恒星的像元像线信息，之后把像元像线信息转换为方向矢量，建立火星、火卫一和火卫二之间夹角的量测模型，其中使用 Unscented卡尔曼滤波估计深空探测器的导航参数。具体包括以下步骤1.建立基于轨道动力学的深空探测器火星捕获段导航系统状态模型；采用圆形限制性四体模型，考虑太阳中心引力、火星中心引力和地球中心引力对探测器的作用，选取日心黄道惯性坐标系，可得深空探测器的状态模型为
权利要求
1. 一种深空探测器火星捕获段的自主天文导航方法，其特征在于首先根据圆形限制性四体模型建立深空探测器的状态模型，再利用火星敏感器、火卫一敏感器和火卫二敏感器分别获得火星及其背景恒星、火卫一及其背景恒星和火卫二及其背景恒星的像元像线信息，之后把像元像线转换为角度信息，建立火星、火卫一和火卫二与各自背景恒星之间角度信息的量测模型，其中使用q-method姿态估计方法为量测模型提供深空探测器的姿态，使用Unscented卡尔曼滤波确定深空探测器的位置和速度；具体包括以下步骤①建立基于轨道动力学的深空探测器火星捕获段导航系统状态模型；考虑太阳中心引力、火星中心引力和地球中心引力对探测器的作用，选取日心黄道惯性坐标系，可得深空探测器的状态模型
全文摘要
本发明涉及一种深空探测器火星捕获段自主天文导航方法。根据圆形限制性四体轨道动力学模型建立深空探测器的状态模型；利用敏感器获得火星、火星卫星以及背景恒星的像元像线信息，把所获得的像元像线信息转换为火星、火星卫星以及背景恒星的角度信息，建立火星、火卫一和火卫二的角度量测模型；并使用q-method方法估计探测器姿态信息，结合Unscented卡尔曼滤波估计深空探测器的位置和速度。本发明估计精度高，非常适用于火星捕获的自主导航。本发明属于航天导航技术领域，不仅可以为深空探测器被火星捕获提供高精度导航参数，而且可为其自主导航系统设计提供参考。
文档编号G01C21/24GK102168981SQ201110006639
公开日2011年8月31日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者吴伟仁, 宁晓琳, 房建成, 白鑫贝, 马辛 申请人:北京航空航天大学