一种基于预测轨迹的行星导航轨道器布局优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于预测轨迹的行星导航轨道器布局优化方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术方法在优化行星导航轨道器初始布局的过程中考虑了导航轨道器与探测器在进入段的动态运动轨迹，利用Fisher信息矩阵推导导航系统可观测度以表征导航性能，基于导航系统可观测度对时间的积分对行星导航轨道器的初始布局进行优化，实现导航系统可观测度最大化，提高探测器进入状态的估计精度，保证了导航性能的最优。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，属于深空探测
。本专利技术方法在优化行星导航轨道器初始布局的过程中考虑了导航轨道器与探测器在进入段的动态运动轨迹，利用Fisher信息矩阵推导导航系统可观测度以表征导航性能，基于导航系统可观测度对时间的积分对行星导航轨道器的初始布局进行优化，实现导航系统可观测度最大化，提高探测器进入状态的估计精度，保证了导航性能的最优。【专利说明】
本专利技术涉及，属于深空探测
。
技术介绍
行星着陆探测是人类进行行星探测活动的必经阶段。为了获得更丰厚的科学回报，需要探测器具有在较高科学价值的特定区域定点着陆的能力。而目标行星一般距离地球遥远，通信延迟严重，所以需要自主导航技术的支持。行星大气进入阶段是行星着陆探测最复杂最危险的阶段，气动环境以及重力场等特性具有很大的不确定性，急需精确的进入段自主导航以保证行星着陆精度。美国成功实施的7次火星着陆探测任务在火星进入段都采用了基于惯性测量单元IMU的航位递推导航方式。航位递推导航的优点在于不需要外部测量信息，但是无法对初始误差进行修正，加之惯性测量单元的随机漂移和误差、外部环境扰动等因素，难以满足未来行星表面精确着陆自主导航的精度需求。为了利用行星进入段潜在的导航信息，有学者提出了基于无线电测量的自主导航方案。探测器通过与位置精确确定的无线电信标之间的无线电测量通信丰富着陆器在大气进入段的导航信息，有效提高导航精度。虽然有学者对行星表面信标位置对导航性能的影响进行了深入的分析，但目前还没有能够提供导航支持的地面信标。行星周围运行的导航轨道器可以作为探测器更为可靠的导航信息源，但如何确定航轨道器的布局以实现导航性能的最优化，仍需要进一步研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提高行星大气进入段自主导航的精度与鲁棒性，针对行星进入过程行星导航轨道器的布局优化问题，结合行星大气进入段无线电测量特性，提出了基于预测轨迹的行星导航轨道器布局优化方法，在优化行星导航轨道器初始布局的过程中考虑了导航轨道器与探测器在进入段的动态运动轨迹，利用Fisher信息矩阵推导导航系统可观测度以表征导航性能，基于导航系统可观测度对时间的积分对行星导航轨道器的初始布局进行优化，实现导航系统可观测度最大化，提高探测器进入状态的估计精度，保证导航性能的最优。，具体包括如下步骤:步骤1:建立行星大气进入段探测器和导航轨道器的动力学模型。在行星惯性坐标系下建立探测器动力学模型。坐标系原点为行星质心，Z轴垂直赤道面指向北极，X轴在赤道面上指向春分点，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。考虑气动力及重力，忽略行星自转。探测器的6维状态矢量Xνη'其中r = T为探测器的位置矢量，v =「vt., V,., vzf为探测器的速度矢量。行星进入段探测器的动力学模型建立为:【权利要求】1.，其特征在于:具体包括如下步骤: 步骤1:建立行星大气进入段探测器和导航轨道器的动力学模型； 在行星惯性坐标系下建立探测器动力学模型；考虑气动力及重力，忽略行星自转；探测器的6维状态矢量 2.根据权利要求1所述的，其特征在于:步骤4中行星大气进入段导航系统可观测度的计算过程如下: 根据步骤I和步骤2得到的行星大气进入段的动力学模型及测量模型，得到似然函数: 【文档编号】G01C21/24GK104019818SQ201410275851【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日 【专利技术者】崔平远, 于正湜, 朱圣英, 高艾, 徐瑞 申请人:北京理工大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于预测轨迹的行星导航轨道器布局优化方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1：建立行星大气进入段探测器和导航轨道器的动力学模型；在行星惯性坐标系下建立探测器动力学模型；考虑气动力及重力，忽略行星自转；探测器的6维状态矢量其中r＝[x,y,z]T为探测器的位置矢量，为探测器的速度矢量；行星进入段探测器的动力学模型建立为：r·v·=v-Dv||v||-Lcosσv||v||×(v×r||v×r||)+Lsinσv×r||v×r||-gr||r||---(1)]]>其中σ为探测器的倾侧角，g为重力加速度，L与D分别为探测器受到的升力和阻力加速度，满足：g=μP||r||2,L=12ρ||v||2SmCL,D=12ρ||v||2SmCD---(2)]]>式中μP为行星引力常数，ρ为大气密度，其数值通过行星大气模型确定，S为探测器的参考面积，m为探测器质量，CL和CD分别为探测器的升力和阻力系数；行星进入段探测器的动力学模型描述为同样在行星惯性坐标系下，建立行星导航轨道器的动力学模型，忽略行星自转及气动力；导航轨道器的6维状态矢量其中n为参与导航的导航轨道器数量，rjB=[xjB,yjB,zjB]T]]>为导航轨道器的位置矢量，vjB=[vxjB,vyjB,vzjB]T]]>为导航轨道器的速度矢量；大气进入阶段导航轨道器的动力学模型建立为：r·jBv·jB=vjB-μP||rjB||3rjB,j=1,···,n---(3)]]>选择轨道根数表征导航轨道器初始状态；同时设导航轨道器按圆轨道运行，轨道高度确定，则各导航轨道器的初始状态由三个轨道根数：轨道倾角i,升交点赤经Ω，以及真近点角f确定；有：rj0B=(RP+aj)cosfiPj+(RP+aj)sinfjQjvj0B=-μP/(RP+aj)sinfjPj+μP/(RP+aj)cosfjQj,j=1,···,n---(4)]]>式中与分别为第j颗导航轨道器的初始位置和速度，RP为被探测行星的半径，aj为第j颗导航轨道器的轨道高度，同时满足Pj=[cosΩj,sinΩj,0]TQj=[-sinΩjcosij,cosΩjcosij,sinij]T,j=1,···,n---(5)]]>定义第j颗导航轨道器的初始轨道根数为通过式(4)和式(5)得到导航轨道器的初始位置和速度矢量；根据导航轨道器初始运行状态，对动力学模型积分，则能得到导航轨道器的运动轨迹；各导航轨道器初始轨道根数的集合为e＝{e1,…,en} (6)步骤2：建立行星进入段导航测量模型；通过装备有无线电收发装置的探测器与位置确定的行星导航轨道器间的无线电测量及通信，得到探测器与导航轨道器之间的相对距离：Rj=||rjB-r||=(xjB-x)2+(yjB-y)2+(zjB-z)2,j=1,···,n---(7)]]>式中Rj为探测器到第j颗行星导航轨道器的相对距离；考虑到测量噪声的存在，构建行星进入段自主导航测量模型为yj＝Rj+εRj＝hj(x)+εRj,j＝1,…,n (8)式中εRj为相对第j颗导航轨道器的测量噪声，是标准差为σRj的高斯白噪声；步骤3：判断导航轨道器的可见性；定义探测器的幅角θ1j、第j颗导航轨道器的幅角θ2j以及探测器与第j颗导航轨道器的夹角θj：θ1j=arccos(RP/||r||)θ2j=arccos(RP/||rjB||)θj=arccos(rjB·r||rjB||||r||),j=1,···,n---(9)]]>如果在整个探测器进入过程中探测器与第j颗导航轨道器的角度几何关系满足θj＜θ1j+θ2j,j＝1,…,n,t∈[0,tf] (10)则认为第j颗导航轨道器是可见的，否则第j颗导航轨道器是不可见的；式中tf为进入段结束时刻；步骤4：计算导航系统可观测度；利用Fisher信息矩阵的行列式解析地定义导航系统可观测度；对于给定的探测器进入轨迹，可观测度O是各导航轨道器初始轨道根数及时间的函数O＝O(e,t)；步骤5：优化行星导航轨道器的初始布局；选择可观测度的积分作为优化性能指标函数，将行星导...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔平远，于正湜，朱圣英，高艾，徐瑞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11