一种太阳耀斑到达时间差分测量及组合导航方法、系统技术方案

本发明专利技术提供一种太阳耀斑到达时间差分测量及组合导航方法、系统，属于航天器自主导航领域。太阳耀斑到达时间差分测量包括获得直接来自于太阳的耀斑到达时间、被火星反射的耀斑到达时间，计算二者的差值，建立太阳耀斑到达时间差分测量模型；组合导航方法包括建立测向导航模型，建立太阳耀斑到达时间差分测量模型，利用滤波器滤波，在未获得太阳耀斑TDOA时可采用测向模型。本发明专利技术弥补了测向导航的径向误差大这一问题，定位精度高，并且对仪器和星历要求很低。因此，本发明专利技术对航天器自主导航具有重要的实际意义。

Solar flare arrival time difference measurement and integrated navigation method and system

The invention provides a method and a system for measuring the differential time of arrival of a solar flare and a combined navigation method. The solar flare arrival time difference measurement includes obtained directly from solar flares, Mars was the reflection of the arrival time of the flare arrival time, calculating the difference between the two, a solar flare time difference measurement model of arrival; integrated navigation method includes establishing direction navigation model, establish the solar flare time difference measurement model using filter at without the TDOA, solar flares can be used when the direction finding model. The invention makes up for the large radial error of the direction finding navigation, the positioning precision is high, and the requirements of the instrument and the ephemeris are low. Therefore, the present invention has important practical significance for Spacecraft Autonomous navigation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航天器自主导航领域，特别涉及一种太阳耀斑到达时间差分测量技术方案以及基于太阳耀斑到达时间信息的航天器自主导航技术方案。
技术介绍
导航信息对于深空探测的成败至关重要。受远距离和长时延的影响，地面站无法提供实时高精度的导航信息，特别是在捕获段。而航天器自主导航系统可以做到这一点。因此，对于捕获段而言，天文自主导航是极其重要的，特别是航天器相对于目标天体的位置、速度信息。目前，在深空探测领域，有以下几种自主导航方法：(1)X射线脉冲星测距导航。X射线脉冲星导航可提供高精度测距信息。但是，航天器相对于目标天体的位置比绝对位置更加重要。若目标天体星历出现较大误差，航天器相对于目标天体的位置也相应地出现较大误差。(2)测向导航。测向导航是传统的天文导航方式，通过测量近天体获得航天器相对于近天体的方位信息。但是，该方法无法提供高精度的航天器与近天体之间距离信息。(3)测速导航。测速导航通过测量恒星的光谱频移来获得航天器相对于恒星的速度信息。测速导航方法无法直接提供位置信息。位置信息是通过积分速度信息获得，因此必存在较大积分误差。综上所述，在目标天体星历存在误差的情况下，X射线脉冲星导航和测速导航无法提供高精度的相对于目标天体的导航信息。测向导航虽不受星历误差影响，但是在径向上精度极低。
技术实现思路
本专利技术提出了一种太阳耀斑到达时间差分(TimeDifferenceOfArrival,TDOA)测量技术方案，旨在为航天器提供高精度的测距导航信息。在此基础上，本专利技术将其与传统的测向导航相结合，提出一种太阳耀斑TDOA/测向组合导航技术方案，旨在深空探测捕获段为航天器提供实时、高精度的自主导航信息。本专利技术提供一种太阳耀斑到达时间差分测量方法，利用对太阳系内行星进行探测的航天器实现测量，航天器上设置第一光电探测器和第二光电探测器，测量过程包括以下步骤，步骤A1，采用航天器上的第一光电探测器测得太阳耀斑直接到达航天器的时间，根据航天器在t1时刻的位置r(t1)，计算太阳耀斑光子离开太阳质心的时间t0如下，c·(t1-t0)＝|r(t1)|其中，c为光速；步骤A2，利用行星星历，计算太阳耀斑光子到达行星的时刻t2和此时的行星位置rM(t2)如下，c·(t2-t0)＝|rM(t2)|步骤A3，采用航天器上的第二光电探测器测得记录经行星反射到达航天器的时间t，得到太阳耀斑到达时间差分t-t1；初步建立太阳耀斑TDOA模型如下，c·(t-t1)＝|r(t)-rM(t2)|-|r(t1)|+|rM(t2)|+ω其中，ω为TDOA测量误差，TDOA表示到达时间差分，航天器在时刻t的位置为r(t)；步骤A4，对步骤A3所得太阳耀斑TDOA模型进行几何修正，获得精确模型，根据所得模型实现到达时间差分测量；进行几何修正包括以下子步骤，步骤A41，针对反射点不在行星质心而在行星表面，计算夹角α+β如下，|r-rM|2+|rM|2-|r2＝2|r-rM|·|rM|cos(α+β)其中，r、rM和rM′M分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、在时刻t2相应的火星质心位置rM(t2)和反射点位置rM′(t2)，矢量r-rM和rM′-rM的夹角是α，矢量-rM和rM′M-rM的夹角是β；进行初始化如下，α＝β＝(α+β)/2步骤A42，设矢量rM-r和rM′-r的夹角是α′，矢量rM和rM′M的夹角是β′，计算α′和β′如下，|rM′|2=RM2+|rM|2-2RM·|rM|cos(β)]]>RM2=|rM′|2+|rM|2-2|rM′|·|rM|cos(β′)]]>|rM′-r|2=RM2+|rM-r|2-2RM·|rM-r|cos(α)]]>RM2=|rM′-r|2+|rM-r|2-2|rM′-r|·|rM-r|·cos(α′)]]>其中，RM为行星半径；步骤A43，调整α和β如下，α＝α-[(α+α′)-(β+β′)]/2β＝β+[(α+α′)-(β+β′)]/2步骤A44，返回步骤A42，直到下式成立，此时的|rM′|和|rM′-r|为所求距离；α+α′＝β+β′＝θ步骤A45，对步骤A3初步建立的太阳耀斑TDOA模型进行修正，得到修正模型如下，t-t1＝(rM′-r|+|rM′-|r-v·(t-t1))/c+ω其中，v为航天器的速度。而且，所述行星为火星，所述航天器为火星探测器。本专利技术相应提供一种太阳耀斑到达时间差分测量系统，用于利用对太阳系内行星进行探测的航天器实现测量，航天器上设置第一光电探测器和第二光电探测器，并设置以下模块，第一模块，用于采用航天器上的第一光电探测器测得太阳耀斑直接到达航天器的时间，根据航天器在t1时刻的位置r(t1)，计算太阳耀斑光子离开太阳质心的时间t0如下，c·(t1-t0)＝|r(t1)|其中，c为光速；第二模块，用于利用行星星历，计算太阳耀斑光子到达行星的时刻t2和此时的行星位置rM(t2)如下，c·(t2-t0)＝|rM(t2)|第三模块，用于采用航天器上的第二光电探测器测得记录经行星反射到达航天器的时间t，得到太阳耀斑到达时间差分t-t1；初步建立太阳耀斑TDOA模型如下，c·(t-t1)＝|r(t)-rM(t2)|-|r(t1)|+|rM(t2)|+ω其中，ω为TDOA测量误差，TDOA表示到达时间差分，航天器在时刻t的位置为r(t)；第四模块，用于对第三模块所得太阳耀斑TDOA模型进行几何修正，获得精确模型，根据所得模型实现到达时间差分测量；包括以下子模块，第一子模块，用于针对反射点不在行星质心而在行星表面，计算夹角α+β如下，|r-rM|2+|rM|2-|r|2＝2|r-rM|·|rM|cos(α+β)其中，r、rM和rM′分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、在时刻t2相应的火星质心位置rM(t2)和反射点位置rM′(t2)，矢量r-rM和rM′-rM的夹角是α，矢量-rM和rM′-rM的夹角是β；进行初始化如下，α＝β＝(α+β)/2第二子模块，用于设矢量rM-r和rM′-r的夹角是α′，矢量rM和rM′的夹角是β′，计算α′和β′如下，|rM′|2=RM2+|rM|2-2RM·本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳耀斑到达时间差分测量方法，其特征在于：利用对太阳系内行星进行探测的航天器实现测量，航天器上设置第一光电探测器和第二光电探测器，测量过程包括以下步骤，步骤A1，采用航天器上的第一光电探测器测得太阳耀斑直接到达航天器的时间，根据航天器在t1时刻的位置r(t1)，计算太阳耀斑光子离开太阳质心的时间t0如下，c·(t1‑t0)＝|r(t1)|其中，c为光速；步骤A2，利用行星星历，计算太阳耀斑光子到达行星的时刻t2和此时的行星位置rM(t2)如下，c·(t2‑t0)＝|rM(t2)|步骤A3，采用航天器上的第二光电探测器测得记录经行星反射到达航天器的时间t，得到太阳耀斑到达时间差分t‑t1；初步建立太阳耀斑TDOA模型如下，c·(t‑t1)＝|r(t)‑rM(t2)|‑|r(t1)|+|rM(t2)|+ω其中，ω为TDOA测量误差，TDOA表示到达时间差分，航天器在时刻t的位置为r(t)。步骤A4，对步骤A3所得太阳耀斑TDOA模型进行几何修正，获得精确模型，根据所得模型实现到达时间差分测量；进行几何修正包括以下子步骤，步骤A41，针对反射点不在行星质心而在行星表面，计算夹角α+β如下，r‑rM|2+|rM|2‑|r2＝2|r‑rM|·|rM|cos(α+β)其中，r、rM和rM′分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、在时刻t2相应的火星质心位置rM(t2)和反射点位置rM′(t2)，矢量r‑rM和rM′‑rM的夹角是α，矢量‑rM和rM′‑rM的夹角是β；进行初始化如下，α＝β＝(α+β)/2步骤A42，设矢量rM‑r和rM′‑r的夹角是α′，矢量rM和rM′的夹角是β′，计算α′和β′如下，|rM′|2=RM2+|rM|2-2RM·|rM|cos(β)]]>RM2=|rM′|2+|rM|2-2|rM′|·|rM|cos(β′)]]>|rM′-r|2=RM2+|rM-r|2-2RM·|rM-r|cos(α)]]>RM2=|rM′-r|2+|rM-r|2-2|rM′-r|·|rM-r|·cos(α′)]]>其中，RM为行星半径；步骤A43，调整α和β如下，α＝α‑[(α+α′)‑(β+β′)]/2β＝β+[(α+α′)‑(β+β′)]/2步骤A44，返回步骤A42，直到下式成立，此时的|rM′|和|rM′‑r|为所求距离；α+α′＝β+β′＝θ步骤A45，对步骤A3初步建立的太阳耀斑TDOA模型进行修正，得到修正模型如下，t‑t1＝(rM′‑r|+|rM′|‑|r‑v·(t‑t1))/c+ω其中，v为航天器的速度。...

【技术特征摘要】
1.一种太阳耀斑到达时间差分测量方法，其特征在于：利用对太阳系内行星进行探测的航天
器实现测量，航天器上设置第一光电探测器和第二光电探测器，测量过程包括以下步骤，
步骤A1，采用航天器上的第一光电探测器测得太阳耀斑直接到达航天器的时间，根据航
天器在t1时刻的位置r(t1)，计算太阳耀斑光子离开太阳质心的时间t0如下，
c·(t1-t0)＝|r(t1)|
其中，c为光速；
步骤A2，利用行星星历，计算太阳耀斑光子到达行星的时刻t2和此时的行星位置rM(t2)如
下，
c·(t2-t0)＝|rM(t2)|
步骤A3，采用航天器上的第二光电探测器测得记录经行星反射到达航天器的时间t，得
到太阳耀斑到达时间差分t-t1；初步建立太阳耀斑TDOA模型如下，
c·(t-t1)＝|r(t)-rM(t2)|-|r(t1)|+|rM(t2)|+ω
其中，ω为TDOA测量误差，TDOA表示到达时间差分，航天器在时刻t的位置为r(t)。
步骤A4，对步骤A3所得太阳耀斑TDOA模型进行几何修正，获得精确模型，根据所得
模型实现到达时间差分测量；进行几何修正包括以下子步骤，
步骤A41，针对反射点不在行星质心而在行星表面，计算夹角α+β如下，
r-rM|2+|rM|2-|r2＝2|r-rM|·|rM|cos(α+β)
其中，r、rM和rM′分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、在时刻t2相应的火星质心位置rM(t2)和
反射点位置rM′(t2)，矢量r-rM和rM′-rM的夹角是α，矢量-rM和rM′-rM的夹角是β；
进行初始化如下，
α＝β＝(α+β)/2
步骤A42，设矢量rM-r和rM′-r的夹角是α′，矢量rM和rM′的夹角是β′，计算α′和β′如下，
|rM′|2=RM2+|rM|2-2RM·|rM|cos(β)]]>RM2=|rM′|2+|rM|2-2|rM′|·|rM|cos(β′)]]>|rM′-r|2=RM2+|rM-r|2-2RM·|rM-r|cos(α)]]>RM2=|rM′-r|2+|rM-r|2-2|rM′-r|·|rM-r|·cos(α′)]]>其中，RM为行星半径；
步骤A43，调整α和β如下，
α＝α-[(α+α′)-(β+β′)]/2
β＝β+[(α+α′)-(β+β′)]/2
步骤A44，返回步骤A42，直到下式成立，此时的|rM′|和|rM′-r|为所求距离；
α+α′＝β+β′＝θ
步骤A45，对步骤A3初步建立的太阳耀斑TDOA模型进行修正，得到修正模型如下，
t-t1＝(rM′-r|+|rM′|-|r-v·(t-t1))/c+ω
其中，v为航天器的速度。
2.根据权利要求1所述太阳耀斑到达时间差分测量方法，其特征在于：所述行星为火星，所
述航天器为火星探测器。
3.一种太阳耀斑到达时间差分测量系统，其特征在于：用于利用对太阳系内行星进行探测的
航天器实现测量，航天器上设置第一光电探测器和第二光电探测器，并设置以下模块，
第一模块，用于采用航天器上的第一光电探测器测得太阳耀斑直接到达航天器的时间，
根据航天器在t1时刻的位置r(t1)，计算太阳耀斑光子离开太阳质心的时间t0如下，
c·(t1-t0)＝|r(t1)|
其中，c为光速；
第二模块，用于利用行星星历，计算太阳耀斑光子到达行星的时刻t2和此时的行星位置
rM(t2)如下，
c·(t2-t0)＝|rM(t2)|
第三模块，用于采用航天器上的第二光电探测器测得记录经行星反射到达航天器的时间
t，得到太阳耀斑到达时间差分t-t1；初步建立太阳耀斑TDOA模型如下，
c·(t-t1)＝|r(t)-rM(t2)|-|r(t1)|+|rM(t2)|+ω
其中，ω为TDOA测量误差，TDOA表示到达时间差分，航天器在时刻t的位置为r(t)；
第四模块，用于对第三模块所得太阳耀斑TDOA模型进行几何修正，获得精确模型，根
据所得模型实现到达时间差分测量；包括以下子模块，
第一子模块，用于针对反射点不在行星质心而在行星表面，计算夹角α+β如下，
|r-rM|2+|rM|2-|r|2＝2|r-rM|·|rM|cos(α+β)
其中，r、rM和rM′分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、在时刻t2相应的火星质心位置rM(t2)和
反射点位置rM′...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘劲，吴谨，熊凌，邓慧萍，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42