一种深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法技术

本发明专利技术涉及一种深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法。首先根据轨道动力学建立航天器的状态模型，利用X射线脉冲星探测器获得脉冲TOA(Time Of Arrival到达时间)量测量，提供航天器的绝对位置信息，将脉冲TOA进行时间差分获得脉冲DTOA(Differential Time Of Arrival差分到达时间)量测量，提供航天器的相对位置信息。之后根据这些量测量分别建立脉冲TOA量测模型及脉冲DTOA量测模型。离散化后使用UKF滤波估计航天器的位置和速度。本发明专利技术属于航天器自主导航领域，可为深空探测器提供高精度的导航信息，对航天器自主导航具有重要的实际意义。

A X ray pulsar TOA/DTOA integrated navigation method for deep space detector

The invention relates to a X - ray pulsar TOA/DTOA integrated navigation method for deep space detector. Firstly, according to the state model of spacecraft orbital dynamics, using X ray pulsar pulse TOA detector (Time Of Arrival arrival time measurement), absolute position information providing spacecraft, time differential pulse DTOA pulse TOA (Differential Time Of Arrival differential arrival time) measurements. The relative position information of spacecraft. Then, the pulse TOA measurement model and the pulse DTOA measurement model are established according to these measurements. After discretization, the UKF filter is used to estimate the position and speed of the spacecraft. The invention belongs to the field of spacecraft autonomous navigation, which can provide high accuracy navigation information for deep space explorers, and has important practical significance for autonomous navigation of spacecraft.

【技术实现步骤摘要】
一种深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法
本专利技术属于航天器自主导航领域，涉及一种基于脉冲TOA(TimeOfArrival到达时间)及DTOA(DifferentialTimeOfArrival差分到达时间)量测量的自主天文导航方法。
技术介绍
深空探测技术作为一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要特征与标志，已引起世界各国的极大关注。对于深空探测任务而言，导航精度对于任务的成败有着重要影响。目前主要通过地面测控站为航天器提供导航信息。随着航天器与地球之间距离的增加，通过地面测控站进行信号传输的双程时延将越来越大。另外，日凌将造成信号中断。因此，需要提高航天器的自主导航能力。X射线脉冲星导航可以为航天器提供高精度的定位信息，且导航精度不受航天器与天体间位置的影响。但是，由于当前的测量水平有限，存在脉冲星角位置误差及星载原子钟钟差，将影响这种方法的导航精度。通过对脉冲TOA量测量进行时间差分，可以有效减弱上述误差对导航精度的影响。然而，通过时间差分后，仅能提供航天器的相对位置信息。
技术实现思路
本专利技术提出一种深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法，利用X射线脉冲星脉冲TOA量测量提供绝对位置信息，利用DTOA量测量减弱系统误差的影响，提供相对位置信息。将两种量测量通过UKF滤波组合，为深空探测器提供高精度的导航信息。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案为：根据轨道动力学建立航天器的状态模型，利用X射线脉冲星探测器获得脉冲TOA量测量，并建立脉冲TOA量测模型。将脉冲TOA进行时间差分，得到DTOA量测量，并建立DTOA量测模型。离散化后使用UKF滤波估计航天器的位置和速度。具体包括以下步骤：1.建立基于轨道动力学的系统状态模型将航天器在火星接近段的运动描述为以太阳为中心天体的受摄三体模型，将其他扰动视为过程噪声。在太阳中心惯性坐标系(J2000.0)下的动力学模型可写为：其中||·||表示矢量的2范数，r和v是航天器相对太阳的位置和速度。μs和μm分别是太阳和火星的引力常数，rm是火星相对太阳的位置矢量，rsm＝r-rm是航天器相对火星的位置矢量。w是各种扰动造成的过程噪声。可由上式得到状态模型如下：其中状态量X＝[r,v]T为航天器在太阳惯性坐标系下的位置及速度，为状态量X的导数，为时刻t的f(X(t),t)为系统非线性连续状态转移函数，w为过程噪声，w(t)为时刻t的w。2.建立脉冲TOA的量测模型利用X射线脉冲星探测器获得脉冲TOA量测量，以脉冲TOA作为量测量建立量测模型：表示第i颗脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间，表示第i颗脉冲星脉冲到达航天器的时间，rS表示航天器相对太阳系质心的位置矢量，||rS||2及||rS||3分别表示||rS||的平方及立方，c表示光速，ni表示第i颗脉冲星在惯性系下的方向矢量，表示第i颗脉冲星到太阳系质心的距离，b表示太阳系质心相对太阳的位置矢量。设脉冲TOA量测量可建立脉冲TOA量测模型的表达式：其中h1(·)表示脉冲TOA的非线性连续量测函数，v1(t)表示t时刻脉冲TOA的量测噪声。3.建立DTOA的量测模型将前后时刻的脉冲TOA进行差分，得到DTOA量测量，并建立DTOA的量测模型：其中τi(t)表示第i颗脉冲星在t时刻的DTOA，及分别表示第i颗脉冲星在t时刻及t-1时刻脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间，及分别表示第i颗脉冲星在t时刻及t-1时刻脉冲星脉冲到达航天器的时间。把DTOA作为量测量Z2＝[τi(t)]，可建立DTOA量测模型的表达式：Z2＝[τi(t)]＝h2[X(t),X(t-1)]+v2(t)(6)其中h2(·)表示DTOA的非线性连续量测函数，v2(t)表示t时刻DTOA的量测噪声。用t-1时刻的后验状态估计代替X(t-1)，则DTOA量测模型的表达式可写为：Z2＝h2[X(t),t]+v2(t)(7)4.进行离散化及滤波设导航系统的量测量Z＝[Z1,Z2]T，量测噪声V＝[v1,v2]T，可建立导航系统量测模型：Z＝h[X(t),t]+V(t)(8)其中h(·)表示导航系统的非线性连续量测函数。对式(2)获得的状态模型及式(8)获得的量测模型进行离散化：其中Xk及Zk分别表示k时刻系统的状态量及量测量，F(Xk-1,k-1)为f(X(t),t)离散后的非线性状态转移函数，H(Xk,k)为h[X(t),t]离散后的非线性量测函数，Wk及Vk分别表示w(t)及V(t)离散后的等效噪声。对离散化后的系统模型式(9)通过UKF进行滤波，获得惯性系下航天器相对太阳的后验状态估计以及后验误差协方差其中分别为第k时刻航天器相对太阳的位置、速度后验估计。将及输出，同时将这些估计值返回滤波器，用于获得k+1时刻的输出。本专利技术的原理是：利用X射线脉冲星脉冲TOA量测量获得航天器的绝对位置信息，利用DTOA量测量获得航天器的相对位置信息，减弱脉冲星角位置误差及星载原子钟钟差的影响。根据轨道动力学建立航天器的状态模型，分别建立脉冲TOA量测模型及DTOA量测模型，离散化后使用UKF滤波，为深空探测器提供高精度的导航信息。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)利用时间差分减弱脉冲星角位置误差及星载原子钟钟差对导航精度的影响。(2)仅利用脉冲TOA一种量测量，同时获得绝对位置信息及相对位置信息，提高导航精度。附图说明图1为本专利技术中深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法流程图。图2为本专利技术中X射线脉冲星导航原理示意图。具体实施方式图1给出了深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法系统流程图。这里以火星探测接近段为例，详细说明本专利技术的具体实施过程：1.建立基于轨道动力学的系统状态模型将航天器在火星接近段的运动描述为以太阳为中心天体的受摄三体模型，将其他扰动视为过程噪声。在太阳中心惯性坐标系(J2000.0)下的动力学模型可写为：其中||·||表示矢量的2范数，r和v是航天器相对太阳的位置和速度。μs和μm分别是太阳和火星的引力常数，rm是火星相对太阳的位置矢量，rsm＝r-rm是航天器相对火星的位置矢量。w是各种扰动造成的过程噪声。可由上式得到状态模型如下：其中状态量X＝[r,v]T为航天器在太阳惯性坐标系下的位置及速度，为状态量X的导数，为时刻t的f(X(t),t)为系统非线性连续状态转移函数，w为过程噪声，w(t)为时刻t的w。2.建立脉冲TOA的量测模型图2给出了X射线脉冲星导航原理示意图，其中和分别表示第i颗脉冲星脉冲到达航天器和太阳系质心(SSB)的时间，ni为日心惯性系下第i颗脉冲星的方向矢量，rS为探测器相对太阳系质心的位置矢量，可表示为rS＝r-b，b为SSB相对太阳的位置矢量，c表示光速。由图可看出，c·(tb-tSC)可认为rS在n上的投影。考虑相对论效应和几何效应，时间转换模型可表示为：其中||rS||2及||rS||3分别表示||rS||的平方及立方，表示第i颗脉冲星到太阳系质心的距离，等式右边第一项为几何距离产生的Doppler延迟，第二项表示X射线平行到达太阳系引起的时间延迟，通常把前两项统称为Roemer延迟，第三项表示在太阳引力场作用下光线弯曲产生的时间延迟，称为Shapiro本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法，其特征在于：利用X射线脉冲星脉冲TOA量测量获得航天器的绝对位置信息，利用DTOA量测量获得航天器的相对位置信息；根据轨道动力学建立航天器的状态模型，分别建立脉冲TOA量测模型及DTOA量测模型，离散化后使用UKF滤波，为深空探测器提供高精度的导航信息，具体包括以下步骤：①建立基于轨道动力学的系统状态模型将航天器在火星接近段的运动描述为以太阳为中心天体的受摄三体模型，将其他扰动视为过程噪声，在太阳中心惯性坐标系下的动力学模型可写为：

【技术特征摘要】
1.一种深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法，其特征在于：利用X射线脉冲星脉冲TOA量测量获得航天器的绝对位置信息，利用DTOA量测量获得航天器的相对位置信息；根据轨道动力学建立航天器的状态模型，分别建立脉冲TOA量测模型及DTOA量测模型，离散化后使用UKF滤波，为深空探测器提供高精度的导航信息，具体包括以下步骤：①建立基于轨道动力学的系统状态模型将航天器在火星接近段的运动描述为以太阳为中心天体的受摄三体模型，将其他扰动视为过程噪声，在太阳中心惯性坐标系下的动力学模型可写为：其中||·||表示矢量的2范数，r和v是航天器相对太阳的位置和速度；μs和μm分别是太阳和火星的引力常数，rm是火星相对太阳的位置矢量，rsm＝r-rm是航天器相对火星的位置矢量；w是各种扰动造成的过程噪声；可由上式得到状态模型如下：其中状态量X＝[r,v]T为航天器在太阳惯性坐标系下的位置及速度，为状态量X的导数，为时刻t的f(X(t),t)为系统非线性连续状态转移函数，w为过程噪声，w(t)为时刻t的w；②建立脉冲TOA的量测模型利用X射线脉冲星探测器获得脉冲TOA量测量，以脉冲TOA作为量测量建立量测模型：表示第i颗脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间，表示第i颗脉冲星脉冲到达航天器的时间，rS表示航天器相对太阳系质心的位置矢量，||rS||2及||rS||3分别表示||rS||的平方及立方，c表示光速，ni表示第i颗脉冲星在惯性系下的方向矢量，表示第i颗脉冲星到太阳系质心的距离，b表示太阳系质心相对太阳的位置矢量；设脉冲TOA量测量可建立脉冲TOA量测模型的表达式：其中h1(·)表示脉冲TOA的非线性连续量测函数，v1(t)表示t时刻脉冲TOA的量测噪声；③建立DTOA的量测模型将前后时刻的脉冲TOA进行差分，得到DTOA量测量，并建立DTOA的量测模型：

【专利技术属性】
技术研发人员：宁晓琳，桂明臻，吴伟仁，房建成，刘刚，杨雨青，
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