一种环火探测器精密同步定位守时方法及系统，首先输入初始数据，包括模拟的标称轨道和用于滤波初始化的相关参数；进行观测数据模拟，根据脉冲星测量方程模拟脉冲星观测量，该观测量涉及的测量噪声包括钟差，其中钟差由钟差模型模拟；根据环火探测器自主定位和守时的滤波状态方程和观测方程，进行自适应卡尔曼滤波，得到探测器的轨道和钟差。本发明专利技术在建立X射线脉冲星观测模型基础上，将观测模型、探测器动力学模型和星载原子钟的钟差模型进行有机结合，同时估算了探测器的位置、速度和钟差参数，在实现钟差校正的同时也削弱了钟差对定位精度的影响，提高了自主定位精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及火星探测
，尤其涉及一种环火探测器精密同步定位守时方法 及系统。
技术介绍
对于执行火星探索任务的火星轨道探测器而言，实时、高精度地获取探测器的位 置、速度和姿态等相关信息，不仅是对探测器进行精密导航控制的基础，也是确保各种预定 科学实验和探测任务顺利实施的决定性因素之一。 火星和地球之间的遥远距离和探测器所面临的复杂太空环境对基于地面测控通 讯站的传统导航方法而言是一个巨大挑战，航天器的自主导航将是突破该瓶颈的关键技术 之一。X射线脉冲星导航是一种新型自主导航方法，在火星探测器自主导航方面极具应用潜 力。 在利用X射线脉冲星观测量对环火探测器进行定位时涉及到环火探测器的动力 学模型和脉冲星观测模型，由环火探测器的动力学模型通过数值积分可以外推但仅能获得 探测器的近似轨道信息，此外，由于技术条件限制，探测器的初始轨道状态也存在误差。 X射线脉冲星导航系统中光子到达探测器的时间是由星载原子钟测量得到的，因 此星载原子钟的精度及其稳定性直接关系到导航精度的高低。而由于火星探测器飞行时 间长，探测器上搭载的原子钟，受到各种因素的限制，若不定期校正将难以长期保持较高精 度，这样就回对导航系统的精度造成损害。 目前已有的X射线脉冲星导航是一种新型自主导航方法，具备可靠性高、自主性 强、精确性良好和使用范围广等特点，在深空探测器自主导航领域应用潜力巨大。目前国际 上许多学者和专家都在这种新型自主导航方法进行研宄和验证，国内外有大量的相关文献 对其进行了介绍，Suneel I S. 2005. The Use of Variable Celestial X-ray Sources for Spacecraft Navigation:. Maryland:Department of Aerospace Engineering University of Maryland. Wei Erhu，Jin Shuanggen，Zhang Qi，et al. 2013Autonomous navigation of Mars probe using X-ray pulsars:Modeling and results. Advances in Space Research, 51 (2013):849 - 857. Emadzadeh A A,Robert A,Speyer J L, et al. 2011. Relative Navigation between Two Spacecraft Using X-ray Pulsars . IEEE Transactions on Control Systems Technology,19 (5):1021-1035. Yang Tinggao.2008. Determination of X-ray pulsar pulse time of arrival at spacecraft. Chin. J. Space Sci. , 28 (4) : 330-334. Chester T J, Butman S A. 1981. Navigation Using X-ray Pulsars. NASATechnical Reports N81-27129, 21-25. 利用X射线脉冲星观测量进行探测器自主定位的原理如图1所示。在基准点（太 阳系质心SSB)坐标系中，空间飞行器Probe上的X射线探测设备接收脉冲信号，进而获得 信号到达时间观测量，然后将其与基准点处的时间相位模型的计算值较差，差值t反映了 同一脉冲信号到达航天器和基准点处的时间延迟，t与光速c的乘积为T。该差分观 测量可以表示为航天器位置矢量r的函数，在已知导航脉冲星方向矢量n的前提下，结合航 天器的轨道动力学方程即可滤波估算出航天器在基准点坐标系中的位置向量。 通常情况下脉冲星时间相位模型通常建立在太阳系质心SSB处，在J2000. 0太阳 系质心坐标系中： 某一观测历元，脉冲星i的辐射信号至航天器SC和火星质心M的直接距离观测量 P SCi、P Mi 为： P sci - N r sc_Di | |+dRel，SCi (1_1) P ii - Ir M_Di I I +dEei；Mi (1 _2) 式中，rM和r sc分别表示火星质心和探测器的位置矢量；D廣示观测脉冲星的位置 矢量；'^和分别表示相应的脉冲信号延迟观测误差。 式（1-2)减去（1-1)得到单差观测量S Pi= p Mi-pseJP "单差测量方程"为： 5 Pi - (| | rm-Dj| |-| | rsc-Dj | I) + (dEel；Mi_dEel；SCi) (1 _3) 因为脉冲星距离参考点的距离01的量级远大于航天器参考点的距离，因此对式 (1-3)进行展开，并忽略无穷小量【主权项】1. 一种环火探测器精密同步定位守时方法，其特征在于：包括w下步骤， 步骤1，输入初始数据，包括模拟的标称轨道和用于滤波初始化的相关参数； 步骤2,进行观测数据模拟，根据脉冲星测量方程模拟脉冲星观测量，该观测量设及的 测量噪声包括钟差，其中钟差由钟差模型模拟， 设导航脉冲星组合中包括P颗脉冲星，环火探测器的位置矢量r= T、速度矢量V=T，加速度矢量a= T， 所述脉冲星测量方程如下式，其中，Ati表示第i颗脉冲星时延观测量，i的取值为1，2,…，P，P颗脉冲星观测量组成 观测向量Z，n为测量噪声，H为观测方程系数矩阵，状态参数X=T. 所述钟差模型如下式，其中，e为采样间隔，Xi(tk)、X2(tk)和X3(tk)分别表示时刻tk原子钟的钟差、频率漂 移和频率漂移变化率，组成了钟差参数 ;W(tk)为时刻tk相应的系统噪声，Xi(tw) 表示时刻tw原子钟的钟差； 步骤3,根据环火探测器自主定位和守时的滤波状态方程和观测方程，进行自适应卡尔 曼滤波， 所述观测方程采用脉冲星测量方程， 设时刻t的状态参数X记为X(t)，X(t)的一阶导数为(0，所述滤波状态方程如下， X村=F(0，-Y(/) +W(0 其中，W(t)为系统状态噪声矩阵， 状态方程系数矩阵F(t)为， 步骤4,输出步骤3所得滤波结果，包括滤波所得探测器的轨道和钟差。2.根据权利要求1所述环火探测器精密同步定位守时方法，其特征在于：步骤3进行 自适应卡尔曼滤波的方式如下， 1)滤波的相关参数初始化，包括计算初始时刻的状态参数Xk及其方差矩阵Pk，状态误 差 5Xk; 。进行一步预测值xw,k和修正值5xw,k计算如下， Xk+l，k=巫k+l，k?而 5Xw，k= 0 其中，?k+i，k为状态转移矩阵； 3) 进行自适应因子Aw的计算如下，式中，Hw表示观测方程系数矩阵；符号MW和NW用于计算自适应因子；ZW为观测值 向量；预测残差为5Zw;RW为观测值误差方差矩阵；SP(.)为求矩阵迹符号； 4) 进行一步预测估计误差方差阵PkAk的计算如下， PkM'k二乂k巧kA'kPk巫k-、l'k牛Qk 式中，Qk为系统状态噪声方差矩阵； 5) 进行滤波增益Kw的计算如下， ^k+l ~ Pk+\,k^本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种环火探测器精密同步定位守时方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1，输入初始数据，包括模拟的标称轨道和用于滤波初始化的相关参数；步骤2，进行观测数据模拟，根据脉冲星测量方程模拟脉冲星观测量，该观测量涉及的测量噪声包括钟差，其中钟差由钟差模型模拟，设导航脉冲星组合中包括p颗脉冲星，环火探测器的位置矢量r＝[x y z]T、速度矢量v＝[vx vy vz]T，加速度矢量a＝[ax ay az]T，所述脉冲星测量方程如下式，Z=Δt1...Δti...Δtp=H·X+η]]>其中，Δti表示第i颗脉冲星时延观测量，i的取值为1,2,…,p，p颗脉冲星观测量组成观测向量Z，η为测量噪声，H为观测方程系数矩阵，状态参数X＝[x y z vx vy vz x1x2x3]T；所述钟差模型如下式，x1(tk+1)=x1(tk)+ϵ·x2(tk)+ϵ22·x3(tk)+W(tk)]]>其中，ε为采样间隔，x1(tk)、x2(tk)和x3(tk)分别表示时刻tk原子钟的钟差、频率漂移和频率漂移变化率，组成了钟差参数[x1 x2 x3]；W(tk)为时刻tk相应的系统噪声，x1(tk+1)表示时刻tk+1原子钟的钟差；步骤3，根据环火探测器自主定位和守时的滤波状态方程和观测方程，进行自适应卡尔曼滤波，所述观测方程采用脉冲星测量方程，设时刻t的状态参数X记为X(t)，X(t)的一阶导数为所述滤波状态方程如下，X.(t)=F(t)·X(t)+W(t)]]>其中，W(t)为系统状态噪声矩阵，状态方程系数矩阵F(t)为，F(t)=000100000000010000000001000∂ax∂x∂ax∂y∂ax∂z000000∂ax∂x∂ay∂y∂ay∂z000000∂az∂x∂az∂y∂az∂z000000000000010000000001000000000]]>步骤4，输出步骤3所得滤波结果，包括滤波所得探测器的轨道和钟差。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：魏二虎，张帅，刘经南，刘建栋，李雪川，李智强，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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