一种基于星历修正的捕获段深空探测器自主天文导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于星历修正的捕获段深空探测器自主天文导航方法，首先建立目标天体星历误差状态模型和量测模型，并根据预测与实际天体图像的位置差获取星历误差量测量；其次将星历误差状态模型和轨道动力学模型联立作为天文导航系统状态模型，并将星历误差量测模型和星光角距量测模型作为天文导航系统的量测模型，采用Unscented卡尔曼滤波方法，估计探测器位置、速度和目标天体星历误差，并将所估计的星历误差反馈至状态模型中，修正目标天体星历数据，获得自主校正星历误差后的相对于目标天体和相对于日心的探测器位置和速度。本发明专利技术属于航天导航技术领域，可在线估计天体星历误差，修正导航系统的模型误差，适用于探测器捕获段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于星历修正的捕获段深空探测器自主天文导航方法
本专利技术涉及在深空探测器处于捕获段时，基于目标天体图像和预测天体图像进行星历修正的自主天文导航方法，是一种非常适用于深空探测器捕获段的导航方法。
技术介绍
捕获段是指从深空探测器进入目标影响球开始到点火制动的全过程，处于该阶段的深空探测器飞行速度快，飞行弧段短，控制精度要求高，且机会唯一。深空探测器减速制动的入轨点距离目标行星表面非常近(近地点)，被捕获是整个深空探测任务的一个关键时间节点，捕获阶段相对目标天体的相对导航精度和相对于太阳或者地球的绝对导航精度对后续探测任务有直接影响。然而深空探测器在捕获段航行速度快、空间电离环境未知、大气环境复杂，这些因素都对深空探测器的入轨精度有很大的影响，也制约着深空探测器捕获后绕飞、着陆等阶段的导航精度，当入轨精度不能达到指标要求时，甚至无法完成科学探测任务，导致整个任务的失败。目标天体星历数据是影响深空探测器捕获段导航性能的主要因素之一。目标天体星历数据是描述目标天体位置、速度等特征的一类天体数据库，由长期天文观测拟合而成的。若一段时间没有天文观测信息进行修正，目标天体星历数据误差会随时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于星历修正的捕获段深空探测器自主天文导航方法，其特征在于：建立目标天体星历误差状态模型和量测模型，并根据预测天体图像与实际天体图像的位置差获取目标天体星历误差量测量；其次将目标天体星历误差状态模型和基于太阳和八大行星引力的轨道动力学模型联立作为天文导航系统状态模型，并将目标天体星历误差量测模型和星光角距量测模型作为天文导航系统的量测模型，采用Unscented卡尔曼滤波方法，估计探测器位置、速度和目标天体星历误差，并将所估计的目标天体星历误差反馈至状态模型中，修正目标天体星历数据，提高状态模型的模型精度，获得自主校正星历误差后的相对于目标天体和相对于日心的探测器位置和速度；具体包括以下步...

【技术特征摘要】
1.一种基于星历修正的捕获段深空探测器自主天文导航方法，其特征在于：建立目标天体星历误差状态模型和量测模型，并根据预测天体图像与实际天体图像的位置差获取目标天体星历误差量测量；其次将目标天体星历误差状态模型和基于太阳和八大行星引力的轨道动力学模型联立作为天文导航系统状态模型，并将目标天体星历误差量测模型和星光角距量测模型作为天文导航系统的量测模型，采用Unscented卡尔曼滤波方法，估计探测器位置、速度和目标天体星历误差，并将所估计的目标天体星历误差反馈至状态模型中，修正目标天体星历数据，提高状态模型的模型精度，获得自主校正星历误差后的相对于目标天体和相对于日心的探测器位置和速度；具体包括以下步骤：①建立目标天体星历误差状态模型式中，bx,by,bz为目标天体星历三轴位置误差，为目标天体星历三轴位置误差的微分，为目标天体星历误差状态模型误差；②建立目标天体星历误差量测模型Bm＝[bxbybz]T+wm式中，wm为目标天体星历误差的测量噪声；Bm为目标天体星历误差量测量；③量测量目标天体星历误差的获取A.目标天体矢量方向的获取根据目标天体敏感器成像原理，获得预测目标天体质心所对应的单位矢量，实际图像中目标天体质心所对应的单位矢量；B.目标天体图像半径的获取由于目标天体在二维成像面阵上的图像并不是一个点，而是一个圆，利用边缘检测算法，提取火星图像轮廓，计算目标天体图像轮廓距离目标天体质心的距离，获得在二维成像平面坐标系中目标天体实际图像的半径和在二维成像平面坐标系中目标天体预测图像的半径C.探测器到目标天体质心距离的解算探测器到实际目标天体质心之间的距离可以表示为：式中，Rtarget为目标天体半径，可由地面天文数据库获得，f为目标天体敏感器的焦距，为实际目标天体质心在二维成像平面坐标系中的坐标；探测器到星历所预测的目标天体质心之间的距离可以表示为：式中，为根据星历所预测的目标天体质心在二维成像平面坐标系中的坐标；D.目标天体星历误差的解算在敏感器测量坐标系中，目标天体星历误差矢量可以根据探测器到实际目标天体质心的矢量和探测器到星历所预测目标天体质心的矢量计算得出：由此可得，在目标天体质心惯性坐标系中目标天体星历误差可以表示为：式中，Aib为探测器本体系至目标天体质心惯性坐标系的姿态转移矩阵，Abc为探测器敏感器坐标系至本体系的转移矩阵；④建立深空探测器天文导航系统的星历误差扩维状态模型在目标天体质心惯性坐标系中，建立深空探测器基于太阳和八大行星引力轨道动力学模型，并与步骤①所建立的目标天体星历误差模型联立，构成天文导航系统的状态模型；式中，X(t)＝[x,y,z,vx,vy,vz,bx,by,bz]T为天文导航系统状态模型的状态向量，x,y,z,vx,vy,vz分别为探测器在目标天体质心惯性坐标系中三轴的位置和速度，bx,by,bz为目标天体星历三轴位置误差，为X(t)的微分，f(X(t),t)为天文导航系统状态模型的系统非线性连续状态转移函数，为天文导航系统状态模型误差；其中wx,wy,wz,分别为状态模型中探测器三轴位置和速度的状态模型误差；⑤建立天文导航系统量测模型天文...

【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，马辛，刘刚，宁晓琳，王帆，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11