基于無線電跟蹤測量的行星進入段自主導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于無線電跟蹤測量的行星進入段自主導(dǎo)航方法，屬于深空探測【技術(shù)領(lǐng)域】。為了提高行星進入段自主導(dǎo)航的精確性與實時性，本發(fā)明方法利用軌道器和預(yù)置的地面無線電信標對探測器進行無線電跟蹤測量，實現(xiàn)行星大氣進入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計；該方案豐富了觀測信息，具有可實施性強，導(dǎo)航精度高、實時性強的優(yōu)點。
【專利說明】基于無線電跟蹤測量的行星進入段自主導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于無線電跟蹤測量的行星進入段自主導(dǎo)航方法，屬于深空探測【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，采樣返回和載人登陸活動將成為未來行星探測任務(wù)的必然趨勢，這就要求探測器具備定點著陸的能力(著陸精度<100m)，以成功到達具有科學(xué)研究價值的特定區(qū)域。探測器著陸經(jīng)過進入、下降以及著陸三個階段，其中，進入段歷時最長、環(huán)境最為惡劣。對于有大氣行星，進入點的初始狀態(tài)誤差和氣動環(huán)境的不確定性為進入段導(dǎo)航帶來了巨大的挑戰(zhàn)。進入段導(dǎo)航的性能對探測器能否實現(xiàn)行星表面精確著陸有著至關(guān)重要的影響，因此，亟需構(gòu)建行星進入段自主導(dǎo)航方案以保證探測器著陸精度。
[0003]在過去的行星探測任務(wù)中，以火星探測為例:探測器在進入段將經(jīng)過峰值過載、峰值動壓，并且由于摩擦產(chǎn)生大量的氣動熱，為了免于探測器受到惡劣環(huán)境的影響，需要在探測器外部安裝熱防護罩，因此，探測器上的多種敏感元件在進入段無法正常工作。目前該段的導(dǎo)航方式主要是通過慣性測量單元(MU)獲得探測器的加速度和角速度信息，進行航位遞推解算探測器的狀態(tài)。傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航受到初始狀態(tài)誤差和隨機漂移誤差的影響，導(dǎo)航精度較低，難以滿足定點著陸的要求。
[0004]最新研究結(jié)果表明，盡管探測器在進入段的超高速運動會造成空氣電離，在其外圍形成等離子層，影響無線電通信效果，但超高頻(UHF)無線電信號可以在進入段的大部分時間穿過探測器周圍的等離子層。因此，有學(xué)者提出，可以考慮利用探測器與軌道器之間的無線電測量來獲取額外的導(dǎo)航測量信息，并結(jié)合IMU輸出以及適當?shù)膶?dǎo)航濾波算法進行組合導(dǎo)航，從而提高導(dǎo)航行星進入段的導(dǎo)航精度。但行星軌道器數(shù)量有限，且受到可見弧段的約束，仍難以保證探測器進入段全過程的實時自主導(dǎo)航。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是為了提高行星進入段自主導(dǎo)航的精度與實時性，提出一種基于無線電跟蹤測量的行星進入段自主導(dǎo)航方法。
[0006]在行星著陸任務(wù)前，利用行星軌道器或其他方式在預(yù)定著陸區(qū)域周圍布置具有無線電測量及通信功能的地面信標，并利用軌道器的多次觀測確定其位置。在進入段，利用軌道器和地面無線電信標對探測器進行無線電跟蹤測量，實現(xiàn)行星大氣進入段的自主導(dǎo)航。具體包括如下步驟:
[0007]步驟1:建立行星進入段的探測器狀態(tài)模型。
[0008]在高超聲速進入階段，探測器視為一個無控的飛行質(zhì)點，不考慮行星氣候環(huán)境影響，忽略由行星自轉(zhuǎn)引起的向心力及科里奧利效應(yīng)，建立在行星固連坐標系下的三自由度動力學(xué)模型。探測器的狀態(tài)為:
[0009]X= [r θ λ V gamma ψ]τ[0010]其中，r表示行星中心與探測器的距離，θ，λ分別為探測器的經(jīng)度和緯度，V為探測器的速度大小，Y為航跡角，Ψ為方位角。建立探測器的狀態(tài)模型為:
[0011]
【權(quán)利要求】
1.基于無線電跟蹤測量的行星進入段自主導(dǎo)航方法，其特征在于:具體流程如下: 步驟1:建立行星進入段的探測器狀態(tài)模型； 探測器的狀態(tài)為: X= [r θ λ V Y ψ]τ 其中，r表示行星中心與探測器的距離，θ，λ分別為探測器的經(jīng)度和緯度，V為探測器的速度大小，Y為航跡角，Ψ為方位角；建立探測器的狀態(tài)模型為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線電跟蹤測量的行星進入段自主導(dǎo)航方法，其特征在于:無線電采用U HF波段或X波段。
【文檔編號】G01C21/24GK103438891SQ201310403975
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】崔平遠, 王碩, 徐瑞, 高艾, 朱圣英 申請人:北京理工大學(xué)