一種天文測(cè)速與地面無線電組合的火星捕獲段導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種深空組合導(dǎo)航方法，具體地，涉及一種天文測(cè)速與地面無線電組 合的火星捕獲段導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 深空探測(cè)任務(wù)對(duì)航天器導(dǎo)航能力提出了較高的要求。目前，地面無線電仍是實(shí)現(xiàn) 深空導(dǎo)航任務(wù)的主要手段。受可見弧段與無線電時(shí)延的制約，地面無線電導(dǎo)航已無法滿足 深空探測(cè)連續(xù)自主、實(shí)時(shí)高精度的導(dǎo)航需求。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了深空天文自主導(dǎo)航方 法，主要分為測(cè)角、測(cè)距與測(cè)速三類。其中測(cè)速導(dǎo)航是近年來新興的一種自主導(dǎo)航方法，主 要通過測(cè)量與恒星等導(dǎo)航源的視向速度，進(jìn)而估計(jì)出探測(cè)器的飛行狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種天文測(cè)速與地面無線電組合的火星捕獲段導(dǎo)航方法，將 地面無線電測(cè)距測(cè)速觀測(cè)量與天文自主測(cè)速觀測(cè)量相結(jié)合，建立聯(lián)合導(dǎo)航方程，為進(jìn)一步 提高導(dǎo)航精度提供了一種有效的技術(shù)途徑?？捎糜诨鹦堑壬羁仗綔y(cè)導(dǎo)航任務(wù)中，是一種通 過結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，提高導(dǎo)航精度的有效技術(shù)手段。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0005] -種天文測(cè)速與地面無線電組合的火星捕獲段導(dǎo)航方法，包括以下步驟:地面站 通過無線電測(cè)距，獲得探測(cè)器與地面之間距離(含測(cè)量噪聲）；地面站通過無線電多普勒測(cè) 速，獲得探測(cè)器與地面站之間的視向速度(含測(cè)量噪聲）；探測(cè)器通過自主測(cè)速導(dǎo)航敏感器， 獲得探測(cè)器與某個(gè)恒星間的視向速度(含測(cè)量噪聲）；通過擴(kuò)展卡爾曼濾波，得到天地組合 導(dǎo)航的位置與速度估計(jì)。與僅依靠地面無線電的導(dǎo)航相比，本發(fā)明加入了探測(cè)器自主天文 測(cè)速觀測(cè)量，可有效提高導(dǎo)航精度。
[0006] 優(yōu)選地，建立探測(cè)器與地面站之間距離的觀測(cè)方程，包括觀測(cè)值與觀測(cè)噪聲。
[0007] 優(yōu)選地，建立探測(cè)器與地面站之間視向速度的觀測(cè)方程，包括觀測(cè)值與觀測(cè)噪聲。
[0008] 優(yōu)選地，建立探測(cè)器與指定恒星之間視向速度的觀測(cè)方程，包括觀測(cè)值與觀測(cè)噪 聲。
[0009] 優(yōu)選地，基于地面測(cè)距、測(cè)速觀測(cè)量與天文視向速度觀測(cè)量建立聯(lián)合觀測(cè)方程。 [0010]優(yōu)選地，根據(jù)火星捕獲段動(dòng)力學(xué)環(huán)境，建立動(dòng)力學(xué)微分方程，包括火星二體引力、 火星引力場(chǎng)J2攝動(dòng)、太陽三體攝動(dòng)、大行星三體攝動(dòng)、太陽光壓攝動(dòng)等。
[0011] 優(yōu)選地，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，對(duì)上述導(dǎo)航模型進(jìn)行位置與速度估計(jì)。
[0012] 優(yōu)選地，采用B平面誤差橢圓提高導(dǎo)航精度。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:本發(fā)明能夠結(jié)合傳統(tǒng)地面測(cè)距、測(cè) 速與天文自主測(cè)速的優(yōu)勢(shì)，通過擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行聯(lián)合導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)，步驟清晰、符合工 程需求，是一種解決深空探測(cè)高精度導(dǎo)航問題的有效手段。
【附圖說明】
[0014] 通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0015] 圖1為本發(fā)明所提供的方法示意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明中B平面與誤差橢圓定義示意圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明中誤差橢圓（3〇)相對(duì)火星關(guān)系圖；
[0018] 圖4為本發(fā)明中誤差橢圓（3〇)局部圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0020] 圖1所示，本發(fā)明所提供的天文測(cè)速與地面無線電組合的火星捕獲段導(dǎo)航方法，在 到達(dá)火星近火點(diǎn)前Ν天，開始實(shí)施連續(xù)d天的導(dǎo)航觀測(cè)，直至到達(dá)火星前N-d天中止(其中Ν- 般為4-8，d-般取值為2-3)。圖1中tp為探測(cè)器近火制動(dòng)的時(shí)刻。探測(cè)器沿進(jìn)入軌道逐漸接 近火星。在此過程中，由地面站測(cè)量地面站與探測(cè)器的距離與視向速度獲得觀測(cè)量由 探測(cè)器自主獲得指定恒星與探測(cè)器的視向速度，獲得觀測(cè)量將2維觀測(cè)量P，p和1維觀 測(cè)量聯(lián)立，可得到聯(lián)合觀測(cè)方程。
[0021] 建立聯(lián)合觀測(cè)方程后，結(jié)合深空動(dòng)力學(xué)方程，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波獲得導(dǎo)航結(jié)果 輸出。
[0022] 具體包括如下：
[0023] 步驟1:建立地面站測(cè)距、測(cè)速觀測(cè)量的觀測(cè)方程：
[0024]
(2)：
[0025] 步驟2:建立天文自主測(cè)速導(dǎo)航觀測(cè)量的觀測(cè)方程：
[0026]
(3)
[0027] 步驟3:建立組合導(dǎo)航天地聯(lián)合觀測(cè)方程：
[0028]
粉
[0029]步驟4:建立火星捕獲段動(dòng)力學(xué)方程(狀態(tài)方程），表示為： _]
㈤
[0031]考慮探測(cè)器在捕獲段受力情況，有： _2]
(6)
[0033]式中：ao為火星二體引力加速度;ai為第i個(gè)大天體引起的點(diǎn)質(zhì)量攝動(dòng)加速度，N為 大天體數(shù)量；βΛ為火星引力場(chǎng)乃項(xiàng)引起的攝動(dòng)加速度;aR為太陽光壓引起的攝動(dòng)加速度。
[0034] 步驟5，：聯(lián)立狀態(tài)方程與組合導(dǎo)航觀測(cè)方程，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行導(dǎo)航 狀態(tài)估計(jì)。擴(kuò)展卡爾曼濾波算法具體步驟如下：
[0035] 1)、初始化：1 = 1、1：卜1 = 1:。、之| = 15"、1><(6-1) = 10*;
[0036] 2)、讀入ti時(shí)刻的觀測(cè)量Yi及其權(quán)重矩陣Ri;
[0037] 3)、以(ti-i)為初值，將狀態(tài)方程對(duì)/)=的，?)從ti-:積分遞推至ti，得到ΛΓ/ ;
[0038] 4)、求取鄭）=逆(足〇/觀|,κ ;
[0039] 5)、以Φ (tH，tH) = I為初值，將狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣微分方程滲從 ti-i積分遞推至ti，得到Φ (ti，ti-1 );
[0040] 6)、時(shí)間更新：f = Φ認(rèn) n#%,，r,-i);
[0041 ] 7)、計(jì)算觀測(cè)殘差：χ ；
[0042] 8)、求取玟=??/漢U」<