面向深空探測(cè)捕獲段的深度組合導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種面向深空探測(cè)捕獲段的深度組合導(dǎo)航方法，包括預(yù)備階段和濾波階段；所述預(yù)備階段建立深空探測(cè)器的軌道動(dòng)力學(xué)模型、測(cè)向模型、測(cè)距模型、測(cè)速模型；所述濾波階段利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器濾波，在導(dǎo)航濾波器中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型為軌道動(dòng)力學(xué)模型，導(dǎo)航濾波器中的測(cè)量模型選擇包括在脈沖觀測(cè)周期內(nèi)，未獲得測(cè)距信息時(shí)選擇測(cè)向模型或測(cè)速模型，并對(duì)X射線敏感器接收的脈沖信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)脈沖信號(hào)累積完畢獲得測(cè)距信息時(shí)，選擇測(cè)距模型；導(dǎo)航濾波器利用測(cè)距模型，根據(jù)獲取導(dǎo)航所需的位置和速度矢量。本發(fā)明抑制了脈沖到達(dá)時(shí)間多普勒偏差，濾波器收斂，定位精度高，并且對(duì)傳感器要求很低。因此，本發(fā)明對(duì)航天器自主導(dǎo)航具有重要的實(shí)際意義。
【專利說(shuō)明】
面向深空探測(cè)捕獲段的深度組合導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于航天器自主導(dǎo)航領(lǐng)域，特別涉及一種面向深空探測(cè)捕獲段的測(cè)向/測(cè) 距/測(cè)速深度組合導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 導(dǎo)航信息是制導(dǎo)的前提，對(duì)于深空探測(cè)的成敗至關(guān)重要。受超遠(yuǎn)距離及其帶來(lái)的 長(zhǎng)時(shí)延影響，地面站無(wú)法提供實(shí)時(shí)高精度的導(dǎo)航信息，特別是在捕獲段。自1990年以來(lái)，深 空探測(cè)任務(wù)共失敗7次，其中4次與捕獲段有關(guān)。航天器自主導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量天體信息并 加以解算，可為深空探測(cè)器提供實(shí)時(shí)高精度的自主導(dǎo)航。因此，對(duì)于捕獲段而言，天文自主 導(dǎo)航是極其重要的。捕獲段是一種高動(dòng)態(tài)環(huán)境，其軌道動(dòng)力學(xué)模型是強(qiáng)非線性，時(shí)變的。在 此環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精度自主導(dǎo)航也是極其困難的。
[0003] 目前，在深空探測(cè)領(lǐng)域，主要有以下幾種自主導(dǎo)航測(cè)量方法：（1)X射線脈沖星測(cè)距 導(dǎo)航。X射線脈沖星測(cè)距導(dǎo)航通過(guò)觀測(cè)脈沖星輻射信號(hào)，并按脈沖周期累積，可獲得高信噪 比累積輪廓，將其與標(biāo)準(zhǔn)輪廓對(duì)比，即可獲得脈沖Τ0Α(到達(dá)時(shí)間，time-of-arrival)，通過(guò) 對(duì)Τ0Α解算即可獲得高精度測(cè)距信息。但是，在捕獲段這一高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，由于航天器的變 加速飛行，脈沖星輻射信號(hào)受多普勒效應(yīng)影響極大，且難以補(bǔ)償。脈沖輪廓發(fā)生較大畸變， 脈沖到達(dá)時(shí)間存在較大偏差。這將嚴(yán)重影響導(dǎo)航性能。（2)測(cè)向?qū)Ш?。測(cè)向?qū)Ш绞莻鹘y(tǒng)的天 文導(dǎo)航方式，通過(guò)測(cè)量近天體獲得航天器相對(duì)于該天體的方位信息。但是，該方法無(wú)法提供 高精度的航天器與近天體之間距離信息。特別是針對(duì)金星這種無(wú)天然衛(wèi)星的行星，航天器 僅能獲得相對(duì)于一個(gè)天體的方位信息。航天器與近天體之間距離信息完全無(wú)從獲得。這導(dǎo) 航濾波器極易發(fā)散。（3)測(cè)速導(dǎo)航。測(cè)速導(dǎo)航通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)的光譜頻移來(lái)獲得航天器相對(duì)于 恒星的速度信息。其測(cè)速精度較高。但是，測(cè)速導(dǎo)航方法無(wú)法直接提供位置信息，位置信息 是通過(guò)積分速度信息獲得。因此速度誤差長(zhǎng)期累積，位置信息必存在較大積分誤差。一般來(lái) 說(shuō)，測(cè)速導(dǎo)航無(wú)法單獨(dú)工作，常作為其他導(dǎo)航方式的輔助手段。
[0004] 以上三種方法各有優(yōu)劣。已有學(xué)者將他們進(jìn)行組合，如：測(cè)角/測(cè)距組合導(dǎo)航（馬 杰，劉勁，田金文.一種脈沖星/CNS組合導(dǎo)航方法，國(guó)家發(fā)明專利，ZL 2009100632674)，測(cè) 距/測(cè)速組合導(dǎo)航（Liu J，Kang Z W，White P，Ma J，Tian J W.Doppler/XNAV-integrated navigation system using small-area X-ray sensor，IET Radar, Sonar and Navigation. 5(9): 1010-1017)。但這都不是深度組合，沒(méi)有考慮脈沖星測(cè)距導(dǎo)航多普勒效 應(yīng)的影響，更加無(wú)法適應(yīng)捕獲段這一高動(dòng)態(tài)環(huán)境。
[0005] 綜上所述，在深空探測(cè)捕獲段這一高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，X射線脈沖星測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)受多 普勒效應(yīng)影響嚴(yán)重，其測(cè)量信息存在較大偏差;測(cè)速導(dǎo)航無(wú)法提供高精度的定位信息;測(cè)向 導(dǎo)航切向精度尚可，但是在徑向上精度極低。即單獨(dú)一種導(dǎo)航方式無(wú)法勝任深空探測(cè)捕獲 段高精度自主導(dǎo)航這一任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出了一種面向深空探測(cè)捕獲段的測(cè)向/測(cè)距/測(cè)速深度組合導(dǎo)航方法，旨 在深空探測(cè)捕獲段為航天器提供高精度的定位，定速自主導(dǎo)航信息。"深度"二字體現(xiàn)在利 用測(cè)向和測(cè)速信息輔助測(cè)距信息的獲取，具體為利用測(cè)向和測(cè)速信息提供高精度的三維速 度估計(jì)信息，并用其補(bǔ)償航天器高速飛行引起的脈沖星光子到達(dá)時(shí)間誤差，從而達(dá)到抑制 多普勒偏差的效果。組合導(dǎo)航則是利用測(cè)向，測(cè)距，測(cè)速信息更新導(dǎo)航濾波器狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多 源信息融合。
[0007] 本發(fā)明提供一種面向深空探測(cè)捕獲段的深度組合導(dǎo)航方法，包括預(yù)備階段和濾波 階段，
[0008] 所述預(yù)備階段，包括建立導(dǎo)航濾波所需的各種模型，包括以下步驟，
[0009] 步驟A1，建立深空探測(cè)器的軌道動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)如下，
[0010]設(shè)深空探測(cè)器的狀態(tài)矢量X為，
[0011] X ; r (式一) V
[0012] 其中，1'=[叉，7,2；]1'和￥=|^，^^， ￥2]1'分另丨偽深空探測(cè)器的位置和速度矢量，叉，7,2； 分別為深空探測(cè)器的位置在三軸上的分量， Vx，Vy，Vz分別為深空探測(cè)器的速度在三軸上的 分量；
[0013] 則深空探測(cè)器的軌道動(dòng)力學(xué)模型為，
.(式二）
[0015] 其中，>·、i、V V t分別為X，y，z，vx，vy，vz的導(dǎo)數(shù)，
[0016] 式(2)表示為，
[0017] _Xr(，）= /(A'，）+ ?w(i) [jK :.)
[0018] 其中，X是狀態(tài)矢量X的導(dǎo)數(shù)，為時(shí)刻t的ir,f(X，t)為深空探測(cè)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移 模型，[xi，yi，zi]和[X2，y2，Z2]分別是金星和地球相對(duì)于太陽(yáng)系質(zhì)心的相對(duì)位置矢量，μ5，μ ν, 分別是太陽(yáng)、金星和地球的引力常數(shù)，rps，rpv，rpe3分別是深空探測(cè)器到太陽(yáng)質(zhì)心，金星質(zhì) 心以及地球質(zhì)心之間的距離;r sv，rse分別是金星質(zhì)心、地球質(zhì)心分別到太陽(yáng)質(zhì)心之間的距 離；《(t)為時(shí)刻t深空探測(cè)器的導(dǎo)航系統(tǒng)噪聲；
[0019] 步驟A2,建立測(cè)向模型；
[0020] 步驟A3，建立測(cè)距模型；
[0021] 步驟A4,建立測(cè)速模型；
[0022] 所述濾波階段利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器濾波，包括在導(dǎo)航濾波器中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型 為軌道動(dòng)力學(xué)模型，導(dǎo)航濾波器中的測(cè)量模型選擇包括以下步驟，
[0023] 所述濾波階段利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器濾波，包括在導(dǎo)航濾波器中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型 為軌道動(dòng)力學(xué)模型，導(dǎo)航濾波器中的測(cè)量模型選擇包括以下步驟，
[0024] 步驟B1，在當(dāng)前脈沖觀測(cè)周期內(nèi)，未獲得當(dāng)前脈沖觀測(cè)周期的測(cè)距信息時(shí)，選擇測(cè) 向模型或測(cè)速模型，并利用基于多普勒補(bǔ)償?shù)臍v元疊加方法對(duì)X射線敏感器接收的脈沖信 號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)如下，
[0025]步驟Bll，X射線敏感器記錄單個(gè)X射線光子的到達(dá)時(shí)間；
[0026]步驟B12,對(duì)X射線光子到達(dá)時(shí)間進(jìn)行多普勒補(bǔ)償，過(guò)程如下，
[0027] (a)估計(jì)航天器當(dāng)前速度見(jiàn)，當(dāng)濾波器有反饋時(shí)，該數(shù)值采用反饋值;否則，通過(guò)積 分式三獲得；
[0028] (b)利用A，按式四補(bǔ)償X射線光子到達(dá)時(shí)間；
[0029] 第i個(gè)子脈沖多普勒補(bǔ)償量_表示如下，
(式四)
[0031]其中，第i個(gè)脈沖周期為P,，脈沖星觀測(cè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)為N，t為第i個(gè)子脈沖的到 達(dá)時(shí)間，η為脈沖星方位矢量，T表示轉(zhuǎn)置，c為光速第k個(gè)脈沖周期為Pk，^是第k個(gè)脈沖周期 中的航天器速度矢量；
[0032]步驟B13,將光子按照預(yù)測(cè)脈沖周期進(jìn)行疊加，獲得脈沖Τ0Α，得到測(cè)距信息；
[0033]步驟B2，當(dāng)脈沖信號(hào)累積完畢，獲得測(cè)距信息時(shí)，選擇測(cè)距模型；
[0034]步驟B3,導(dǎo)航濾波器利用測(cè)距模型，根據(jù)接收到的脈沖Τ0Α、金星方位和多普勒速 度進(jìn)行處理，得到狀態(tài)矢量，獲取導(dǎo)航所需的位置和速度矢量；當(dāng)前脈沖觀測(cè)周期結(jié)束后， 返回步驟B1，繼續(xù)下一脈沖觀測(cè)周期的導(dǎo)航。
[0035] 而且，步驟A2中，建立測(cè)向模型如下，
(式五）
[0037]其中，Z是測(cè)向值，rv是金星位置矢量，u是測(cè)向噪聲；
[0038] 而且，步驟A3中，建立測(cè)距模型如下，
(式六>
[0040] 其中，t和tb分別是脈沖到達(dá)航天器和太陽(yáng)系質(zhì)心的時(shí)間;η是脈沖星方位矢量;Do 是脈沖星到太陽(yáng)系質(zhì)心的距離，b是太陽(yáng)系質(zhì)心相對(duì)于太陽(yáng)質(zhì)心的位置矢量，c是光速，σ是 Τ0Α測(cè)量噪聲，I · I表示矢量的模。
[0041] 而且，步驟Α4中，建立測(cè)速模型如下，
(式七）
[0043] 其中，V是測(cè)速值，υ是測(cè)速噪聲。
[0044]本發(fā)明抑制了脈沖到達(dá)時(shí)間多普勒偏差，濾波器收斂，定位精度高，并且對(duì)傳感器 要求很低。因此，本發(fā)明對(duì)航天器自主導(dǎo)航具有重要的實(shí)際意義。
[0045] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0046] (1)航天器自主導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)傳感器要求較低。一般而言，高精度導(dǎo)航需要高精度的 傳感器。而本發(fā)明所需的傳感器(天文光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)，X射線敏感器，光譜儀)都是已有的，無(wú) 需重新研制或采集，節(jié)約了成本和時(shí)間。此外，本方法即使采用低分辨率的天文光學(xué)導(dǎo)航相 機(jī)，小面積的X射線敏感器，低精度的光譜儀也能獲得高精度的導(dǎo)航定位信息，能滿足深空 探測(cè)的需求。以上各種探測(cè)器僅需一個(gè)即可，降低了載重。
[0047] (2)本發(fā)明能在捕獲段實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航。捕獲段是一高動(dòng)態(tài)環(huán)境。此時(shí)的軌道動(dòng)力 學(xué)模型是強(qiáng)非線性時(shí)變的。脈沖星信號(hào)受多普勒影響大，多普勒補(bǔ)償方法效果有限。此外， 導(dǎo)航濾波器極易發(fā)散。本發(fā)明利用測(cè)向和測(cè)速信息抑制了多普勒效應(yīng)，并且充分利用了測(cè) 向，測(cè)距，測(cè)速信息，在捕獲段實(shí)現(xiàn)了高精度的深度自主導(dǎo)航。
【附圖說(shuō)明】
[0048] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)向/測(cè)距/測(cè)速深度組合導(dǎo)航流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 本發(fā)明技術(shù)方案可采用計(jì)算機(jī)軟件方式支持自動(dòng)運(yùn)行流程。以下結(jié)合附圖和實(shí)施 例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案。EKF，Extended Kalman Fi 1 ter的簡(jiǎn)寫(xiě)，即擴(kuò)展卡爾曼濾波器。
[0050] 深空探測(cè)捕獲段是一種高動(dòng)態(tài)環(huán)境，脈沖星信號(hào)受多普勒效應(yīng)影響較大。本發(fā)明 在脈沖星觀測(cè)期間，利用測(cè)向和測(cè)速信息補(bǔ)償脈沖星信號(hào)中的多普勒偏差，這體現(xiàn)了"深 度"二字;組合導(dǎo)航方法包括建立軌道動(dòng)力學(xué)模型，以及測(cè)向，測(cè)距，測(cè)速導(dǎo)航模型，利用擴(kuò) 展卡爾曼濾波器濾波。本發(fā)明以金星探測(cè)器為實(shí)施例。
[0051] 首先給出金星快車軌道，如表1所示。
[0052]表1金星快車初始軌道參數(shù)
[0054] 實(shí)施例可分為預(yù)備階段和濾波階段。
[0055] 實(shí)施例的預(yù)備階段建立導(dǎo)航濾波所需的各種模型，具體為：
[0056]步驟A1:建立深空探測(cè)器的軌道動(dòng)力學(xué)模型，軌道動(dòng)力學(xué)模型是擴(kuò)展卡爾曼濾波 器的預(yù)測(cè)模型，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：
[0057]因?yàn)樯羁仗綔y(cè)器的狀態(tài)矢量X為：
[0058] X= r (1) _v_
[0059] 其中，r= [x，y，z]T和ν= [νχ,νγ,νζ]1^"^」為深空探測(cè)器的位置和速度矢量，x，y，z 分別為深空探測(cè)器的位置在三軸上的分量，Vx，vy，vz分別為深空探測(cè)器的速度在三軸上的 分量;則深空探測(cè)器的軌道動(dòng)力學(xué)模型為：
(2)
[0061 ] 其中，義、i·、?、色、七、兔分別為x，y，z，vx，vy，v z的導(dǎo)數(shù)，
[0062] 式（2)可表示為：
[0063] X(/) = /(X,/) + ?(〇 (3)
[0064] 其中，X是狀態(tài)矢量X的導(dǎo)數(shù)，文⑷為時(shí)刻t的龍江〇,〇為深空探測(cè)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移 模型，[xi，yi，zi]和[X2，y2，Z2]分別是金星和地球相對(duì)于太陽(yáng)系質(zhì)心的相對(duì)位置矢量，μ 5，μν, Κ分別是太陽(yáng)，金星和地球的引力常數(shù)；
[0065] rps，rpv，rpe分別是深空探測(cè)器到太陽(yáng)質(zhì)心，金星質(zhì)心以及地球質(zhì)心之間的距離，其 計(jì)算公式為：
分別是金星質(zhì)心、地球質(zhì)心分別到太陽(yáng)質(zhì)心 之間的距離;深空探測(cè)器的導(dǎo)航系統(tǒng)噪聲《=[0,0,0，八？\，？7，？2]7，其中，六？\，？4口 A Fz是攝動(dòng)力，ω (t)為時(shí)刻t深空探測(cè)器的導(dǎo)航系統(tǒng)噪聲。
[0070] 步驟A2:建立測(cè)向模型。
(4)
[0072] 其中，Z是測(cè)向值，rv是金星位置矢量，u是測(cè)向噪聲。
[0073] 步驟A3:建立測(cè)距模型。
(5)
[0075]其中，t和tb分別是脈沖到達(dá)航天器和太陽(yáng)系質(zhì)心的時(shí)間。η是脈沖星方位矢量。Do 是脈沖星到太陽(yáng)系質(zhì)心的距離，b是太陽(yáng)系質(zhì)心相對(duì)于太陽(yáng)質(zhì)心的位置矢量。c是光速。σ是 ΤΟΑ測(cè)量噪聲。其中，I · I表示矢量的模。
[0076] 步驟Α4:建立測(cè)速模型。
(6)
[0078] 其中，V是測(cè)速值，υ是測(cè)速噪聲。
[0079] 具體實(shí)施時(shí)，步驟Α2、A3、Α4的執(zhí)行順序可以調(diào)整先后，或并列執(zhí)行。
[0080] 實(shí)施例的濾波階段利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器濾波，具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0081] 導(dǎo)航濾波器中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型為軌道動(dòng)力學(xué)模型。導(dǎo)航濾波器中的測(cè)量模型選擇 方法如下：
[0082] 步驟Β1:在當(dāng)前脈沖觀測(cè)周期內(nèi)，未獲得當(dāng)前脈沖觀測(cè)周期的測(cè)距信息時(shí)，一方 面，選擇測(cè)向模型或測(cè)速模型，具體實(shí)施時(shí)，可視具體情況使用相應(yīng)模型，即獲得測(cè)向信息 時(shí)，基于天文光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)，利用測(cè)向模型，獲得測(cè)速信息時(shí)，基于光譜儀，利用測(cè)速模型。 另一方面，利用基于多普勒補(bǔ)償?shù)臍v元疊加方法對(duì)X射線敏感器接收的脈沖信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償， 具體如下：
[0083]步驟Bll :Χ射線敏感器記錄單個(gè)X射線光子的到達(dá)時(shí)間。
[0084]步驟Β12:對(duì)X射線光子到達(dá)時(shí)間進(jìn)行多普勒補(bǔ)償，其過(guò)程如下：
[0085] (a)估計(jì)航天器當(dāng)前速度$。當(dāng)步驟Μ濾波器有反饋時(shí)，該數(shù)值為反饋值，即采用上 一次執(zhí)行步驟Μ獲得的上一脈沖觀測(cè)周期的測(cè)距信息；否則，通過(guò)積分式(3)獲得。其中，式 (3)參見(jiàn)步驟Α1。
[0086] (b)利用幻按式(7)來(lái)補(bǔ)償X射線光子到達(dá)時(shí)間。
[0087] 第i個(gè)子脈沖多普勒補(bǔ)償量_，可表示為：
(7)
[0089] 其中，第i個(gè)脈沖周期為Pi，脈沖星觀測(cè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)為N，航天器當(dāng)前速度A即 第i個(gè)脈沖周期中的航天器速度，ti為第i個(gè)子脈沖的到達(dá)時(shí)間，η為脈沖星方位矢量，T表示 轉(zhuǎn)置，c為光速。相應(yīng)地，第k個(gè)脈沖周期為P k，Α是第k個(gè)脈沖周期中的航天器速度矢量。
[0090] 步驟B13:將光子按照預(yù)測(cè)脈沖周期進(jìn)行疊加。即按脈沖周期累積，可獲得高信噪 比累積輪廓，將其與標(biāo)準(zhǔn)輪廓對(duì)比，即可獲得脈沖Τ0Α(到達(dá)時(shí)間，time-of-arrival)。脈沖 周期時(shí)長(zhǎng)單位通常為毫秒。
[0091] 步驟B2:當(dāng)脈沖信號(hào)累積完畢，獲得測(cè)距信息（即脈沖Τ0Α)時(shí)，選擇測(cè)距模型，通過(guò) 對(duì)Τ0Α解算即可獲得高精度測(cè)距信息。即步驟B13獲取脈沖Τ0Α后，可以改為選擇測(cè)距模型。 [0092]步驟B3:導(dǎo)航濾波器利用當(dāng)前選擇的測(cè)距模型，根據(jù)接收到的脈沖Τ0Α、金星方位 和多普勒速度進(jìn)行處理，得到狀態(tài)矢量。該值就是導(dǎo)航所需的位置和速度矢量。此外，該值 還可在后續(xù)執(zhí)行B12中用于補(bǔ)償X射線光子到達(dá)時(shí)間。當(dāng)前脈沖觀測(cè)周期結(jié)束后，返回步驟 B1，繼續(xù)下一脈沖觀測(cè)周期的導(dǎo)航。脈沖觀測(cè)周期即測(cè)距觀測(cè)周期。
[0093]擴(kuò)展卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)涉及預(yù)測(cè)模型，測(cè)量模型及相關(guān)參數(shù)。模型和參數(shù)設(shè)置 之后，濾波器可對(duì)測(cè)量值進(jìn)行濾波，獲得的狀態(tài)估計(jì)包括位置和速度信息分量，這就是導(dǎo)航 結(jié)果。
[0094]濾波器參數(shù)如表2所示：
[0095]表2導(dǎo)航濾波器參數(shù)
[0097] 其中，P(0)為初始狀態(tài)誤差矩陣，Q為狀態(tài)噪聲協(xié)方差，的平方，?丨即q2的平 方。
[0098] 本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替 代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種面向深空探測(cè)捕獲段的深度組合導(dǎo)航方法，其特征在于，包括預(yù)備階段和濾波 階段， 所述預(yù)備階段，包括建立導(dǎo)航濾波所需的各種模型，包括以下步驟， 步驟Al，建立深空探測(cè)器的軌道動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)如下， 設(shè)深空探測(cè)器的狀態(tài)矢量X為，(式一） 其中，r= [x，y，z]T和V= 為深空探測(cè)器的位置和速度矢量，x，y，z分別 為深空探測(cè)器的位置在三軸上的分量，Vx，Vy，Vz分別為深空探測(cè)器的速度在三軸上的分量； 則深空探測(cè)器的軌道動(dòng)力學(xué)模型為，(式二） 其中，i、j、兔、Vv么分別為X，y，z，vx，vy， vz的導(dǎo)數(shù)， 式(2)表不為，(? 二） 其中，ir是狀態(tài)矢量X的導(dǎo)數(shù)，文P'j為時(shí)刻t的文,f(x，t)為深空探測(cè)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模 型，|^1，71，21]和[12,72,22]分別是金星和地球相對(duì)于太陽(yáng)系質(zhì)心的相對(duì)位置矢量山^^ 分別是太陽(yáng)、金星和地球的引力常數(shù)，rps，rpv，rpe3分別是深空探測(cè)器到太陽(yáng)質(zhì)心，金星質(zhì)心 以及地球質(zhì)心之間的距離;r sv，rse分別是金星質(zhì)心、地球質(zhì)心分別到太陽(yáng)質(zhì)心之間的距離； ω (t)為時(shí)刻t深空探測(cè)器的導(dǎo)航系統(tǒng)噪聲； 步驟A2,建立測(cè)向模型； 步驟A3,建立測(cè)距模型； 步驟A4,建立測(cè)速模型； 所述濾波階段利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器濾波，包括在導(dǎo)航濾波器中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型為軌 道動(dòng)力學(xué)模型，導(dǎo)航濾波器中的測(cè)量模型選擇包括以下步驟， 步驟Bl，在當(dāng)前脈沖觀測(cè)周期內(nèi)，未獲得當(dāng)前脈沖觀測(cè)周期的測(cè)距信息時(shí)，選擇測(cè)向模 型或測(cè)速模型，并利用基于多普勒補(bǔ)償?shù)臍v元疊加方法對(duì)X射線敏感器接收的脈沖信號(hào)進(jìn) 行補(bǔ)償，補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)如下， 步驟Bll，X射線敏感器記錄單個(gè)X射線光子的到達(dá)時(shí)間； 步驟B12,對(duì)X射線光子到達(dá)時(shí)間進(jìn)行多普勒補(bǔ)償，過(guò)程如下， (a) 估計(jì)航天器當(dāng)前速度^，當(dāng)濾波器有反饋時(shí)，該數(shù)值采用反饋值;否則，通過(guò)積分式 二獲得； (b) 利用6，按式四補(bǔ)償X射線光子到達(dá)時(shí)間； 第i個(gè)子脈沖多普勒補(bǔ)償量$表示如下，(式四） 其中，第i個(gè)脈沖周期為P1，脈沖星觀測(cè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)為It1為第i個(gè)子脈沖的到達(dá)時(shí) 間，η為脈沖星方位矢量，T表示轉(zhuǎn)置，c為光速第k個(gè)脈沖周期為Pk，&是第k個(gè)脈沖周期中的 航天器速度矢量； 步驟B13，將光子按照預(yù)測(cè)脈沖周期進(jìn)行疊加，獲得脈沖TOA，得到測(cè)距信息； 步驟B2，當(dāng)脈沖信號(hào)累積完畢，獲得測(cè)距信息時(shí)，選擇測(cè)距模型； 步驟B3,導(dǎo)航濾波器利用測(cè)距模型，根據(jù)接收到的脈沖Τ0Α、金星方位和多普勒速度進(jìn) 行處理，得到狀態(tài)矢量，獲取導(dǎo)航所需的位置和速度矢量；當(dāng)前脈沖觀測(cè)周期結(jié)束后，返回 步驟Bl，繼續(xù)下一脈沖觀測(cè)周期的導(dǎo)航。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述面向深空探測(cè)捕獲段的深度組合導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟A2 中，建立測(cè)向模型如下，(式五） 其中，Z是測(cè)向值，rv是金星位置矢量，u是測(cè)向噪聲。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述面向深空探測(cè)捕獲段的深度組合導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟A3 中，建立測(cè)距模型如下，(式六） 其中，t和tb分別是脈沖到達(dá)航天器和太陽(yáng)系質(zhì)心的時(shí)間；η是脈沖星方位矢量;Do是脈 沖星到太陽(yáng)系質(zhì)心的距離，b是太陽(yáng)系質(zhì)心相對(duì)于太陽(yáng)質(zhì)心的位置矢量，c是光速，σ是TOA 測(cè)量噪聲，I · I表示矢量的模。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述面向深空探測(cè)捕獲段的深度組合導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟A4 中，建立測(cè)速模型如下，(式七） 其中，V是測(cè)速值，u是測(cè)速噪聲。
【文檔編號(hào)】G01C21/24GK106017480SQ201610341319
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】劉勁, 吳謹(jǐn), 李娟 , 鄧慧萍, 王文武, 李富年
【申請(qǐng)人】武漢科技大學(xué)