一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法技术

一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，首先建立探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统、探测器测距的虚拟高度，使用探测器测距的虚拟高度建立探测器高度和垂向速度的统一线性方程，并得到最优无偏估计，进而得到高度和垂向速度的鲁棒估计，然后建立探测器相对于行星的速度的动力学方程、探测器测速敏感器的测量方程，进而得到探测器速度的统一线性方程及线性无偏估计，最后根据探测器相对于行星的速度的线性无偏估计，借助方差上界理论得到探测器相对于行星速度的鲁棒估计。

A Robust Fusion Method for Landing Section Based on Multi-Beam Ranging, Velocity and Inertia

【技术实现步骤摘要】
一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法
本专利技术涉及火星和深空探测软着陆任务的自主导航领域，特别是一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法。
技术介绍
火星探测任务的进入、降落与着陆段(Entry，Descent，andLanding，简称EDL)是火星探测器近7亿千米旅途的最后6、7分钟，是火星表面探测任务的关键阶段，也是最困难的阶段。EDL技术也是火星表面探测任务的关键技术之一。从火星探测器以2万千米每小时的速度进入火星大气开始，经历大气减速，降落伞拖拽，动力减速等一系列的阶段，最终为了确保安全精确地降落在火星表面。火星探测的失败案例中较多是由于火星着陆器在下降着陆过程中出现意外，导致整个探测任务的失败。苏联的火星-6于1973年08月05日发射，着陆器在下降期间出现故障，失去了与地球的联系；美国1999年01月03日发射的火星极地着陆器，在着陆下降期间通信丧失，着陆器坠毁；欧空局在2003年6月2号发射的火星快车/猎兔犬-2的火星着陆器也在着陆过程中坠毁。可见火星着陆探测EDL过程技术是保证任务成功的关键技术，需要深入展开研究。EDL过程的导航是决定飞行任务能否成功的关键技术之一。在抛大底之前，由于防热罩的保护作用，着陆器仅能依赖于IMU进行惯性导航，其初始位置在进入前由地面测控给出，初始姿态由姿态敏感器，比如星敏感器给出。由于初始条件误差和IMU测量误差的影响，惯性导航的外推误差会随着时间的推移而增大，如果单纯依靠惯性导航计算，在接触火星表面时的位置和速度误差太大，不能保证着陆安全，因此必须在抛大底以后，引入测距测速修正。为了获得三维速度信息需要三个波束的速度测量，而为了获得高度信息则需要一个波束的距离测量，而为了提高导航系统的冗余性和可靠性，则一般采用多个波束进行测量。但是这也给测距测速+惯性的融合算法研制带来了挑战，首先由于共有的姿态信息以及测量噪声和状态相关，使得每个波束的测量是彼此相关的，而且这些相关性很难解析计算出来，如果简单的忽略这些相关性去设计融合算法，则有可能会使得滤波发散导致任务失败；其次，采用多个波束势必会增加速度计算量，而星上计算能力有限，很难采取实时的卡尔曼滤波技术进行估计，如何设计计算量小的融合算法也是需要考虑的问题。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对火星着陆段的测距和测速修正过程，由于姿态的耦合以及测量噪声其他的影响导致相关未知的情况，提供了一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，实现鲁棒估计。并考虑星上计算约束，实现实时估计。本专利技术的技术解决方案是：一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，包括如下步骤：(1)建立探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统；(2)根据探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统确定探测器测距的虚拟高度；(3)使用探测器测距的虚拟高度建立探测器高度和垂向速度的统一线性方程，并得到最优无偏估计；(4)根据最优无偏估计得到高度和垂向速度；(5)建立探测器相对于行星的速度的动力学方程；(6)建立探测器测速敏感器的测量方程；(7)根据探测器相对于行星的速度的动力学方程、探测器测速敏感器的测量方程得到探测器速度的统一线性方程及线性无偏估计；(8)根据步骤(7)得到的探测器相对于行星的速度的线性无偏估计，借助方差上界理论得到探测器相对于行星速度的鲁棒估计。所述的探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统为其中，h为探测器的高度，vver为探测器的垂向速度，g为引力加速度，fver为探测器上的加速度计测得的加速度在重力方向的投影，为探测器的高度h的一阶导数，为探测器的垂向速度vver的一阶导数。所述的探测器测距的虚拟高度为其中，νhi为测距仪第i个波束测量得到的观测高度对应的观测噪声，探测器上测距仪第i个波束测得的斜距ug为重力方向，ρi为第i个波束指向，νi为第i个波束对应的观测噪声。所述的探测器高度和垂向速度的统一线性方程为zhv＝Hhvxhv+whv其中，xhv＝[h,vver]T，为探测器惯导系统预测的探测器状态，whv为zhv对应的噪声，ΔT为惯导系统的积分周期，所述的步骤(3)中的最优无偏估计为其中，为探测器惯导系统得到的对应的误差方差，由提供，为探测器高度h的方差，Chvh为探测器惯导与测距的相关矩阵。所述的步骤(4)根据最优无偏估计得到高度和垂向速度的方法为：利用的上界矩阵代替其中，I2为2维单位矩阵。所述的建立探测器相对于行星的速度的动力学方程为其中，ve为探测器相对于行星的速度，为本体系到惯性系的姿态转换矩阵，fb为探测器加速度计测得的本体加速度，gi为引力加速度，上标i表示投影在惯性系下。所述的探测器测速敏感器的测量方程为其中，p(i)为测速敏感器第i个波速的指向，为测速敏感器第i个波速的测量值，νv(i)为对应的测量噪声，上标b表示投影在本体坐标系下。所述的探测器速度的统一线性方程为其中，为探测器惯导输出的探测器相对于行星的速度，l为测速敏感器可用的测速波束数目，I3为三维三维矩阵，则惯导输出和波束测量可以写作统一的线性方程，w为探测器惯导可以输出探测器相对于行星的速度对应的噪声；线性无偏估计为其中，为惯导计算的误差方差，为νv(i)的方差，Cwv(i)为探测器惯导与第i个波束误差的相关矩阵。所述的探测器相对于行星速度的鲁棒估计的方法为：使用的上界矩阵矩阵来代替得到其中，确定得到探测器相对于行星的速度的线性无偏估计为得到其中，进而得到探测器相对于行星的速度本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术基于方差上界理论，给出了测距测速的鲁棒修正算法，提高了算法的稳定和精度。且算法为解析算法，易于星上运算，为软着陆任务的成功实施奠定了基础；(2)本专利技术采用线性统一估计理论，给出了高度和速度的最优无偏估计，并基于方差上界理论消除了估计与观测之间的未知相关性，解决了现有技术状态估计和观测噪声的未知相关性带来的滤波发散问题，最终给出的估计具备一致性。附图说明图1为测距修正和测速修正的估计结果示意图。具体实施方式本专利技术针对火星着陆段的测距和测速修正过程，由于姿态的耦合以及测量噪声其他的影响导致相关未知的情况，提供了一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，实现鲁棒估计。并考虑星上计算约束，实现实时估计，包括如下步骤：(1)测距修正(11)根据惯导方程建立高度-垂向速度的二阶动力学方程。(12)利用姿态信息，根据每个波束的测量量计算高度，将高度作为虚拟的观测量(13)根据惯导预测的高度、垂向速度和测距得到高度，得到线性统一方程，利用最小方差估计理论可以得到关于高度和垂向速度的最优无偏估计(14)利用方差上界理论和噪声统计特性，得到噪声方差的上界，以消除未知的相关性，并利用最小方差估计理论得到高度和垂向速度的融合估计(2)测速修正(21)根据惯导方程建立本体3维速度的动力学系统(22)建立测速测量方程(23)根据惯导方程得到本体速度和测速的测量量得到线性统一方程，利用最小方差估计理论可以得到关于本体3维速度的最优无偏估计，利用方差上界理论和噪声统计特性，得到噪声方差的上界，以消除未知的相关性，并利用最小方差估计理论得到本体三维速度的融合估计。下面结合附图对本专利技术方法进行更详细的解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，其特征在于包括如下步骤：(1)建立探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统；(2)根据探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统确定探测器测距的虚拟高度；(3)使用探测器测距的虚拟高度建立探测器高度和垂向速度的统一线性方程，并得到最优无偏估计；(4)根据最优无偏估计得到高度和垂向速度；(5)建立探测器相对于行星的速度的动力学方程；(6)建立探测器测速敏感器的测量方程；(7)根据探测器相对于行星的速度的动力学方程、探测器测速敏感器的测量方程得到探测器速度的统一线性方程及线性无偏估计；(8)根据步骤(7)得到的探测器相对于行星的速度的线性无偏估计，借助方差上界理论得到探测器相对于行星速度的鲁棒估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，其特征在于包括如下步骤：(1)建立探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统；(2)根据探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统确定探测器测距的虚拟高度；(3)使用探测器测距的虚拟高度建立探测器高度和垂向速度的统一线性方程，并得到最优无偏估计；(4)根据最优无偏估计得到高度和垂向速度；(5)建立探测器相对于行星的速度的动力学方程；(6)建立探测器测速敏感器的测量方程；(7)根据探测器相对于行星的速度的动力学方程、探测器测速敏感器的测量方程得到探测器速度的统一线性方程及线性无偏估计；(8)根据步骤(7)得到的探测器相对于行星的速度的线性无偏估计，借助方差上界理论得到探测器相对于行星速度的鲁棒估计。2.根据权利要求1所述的一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，其特征在于：所述的探测器高度和垂向速度的二阶动力学系统为其中，h为探测器的高度，vver为探测器的垂向速度，g为引力加速度，fver为探测器上的加速度计测得的加速度在重力方向的投影，为探测器的高度h的一阶导数，为探测器的垂向速度vver的一阶导数。3.根据权利要求2所述的一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，其特征在于：所述的探测器测距的虚拟高度为其中，νhi为测距仪第i个波束测量得到的观测高度对应的观测噪声，探测器上测距仪第i个波束测得的斜距ug为重力方向，ρi为第i个波束指向，νi为第i个波束对应的观测噪声。4.根据权利要求3所述的一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段鲁棒融合方法，其特征在于：所述的探测器高度和垂向速度的统一线性方程为zhv＝Hhvxhv+whv其中，xhv＝[h,vver]T，为探测器惯导系统预测的探测器状态，whv为zhv对应的噪声，ΔT为惯导系统的积分周期，5.根据权利要求4所述的一种基于多波束测距测速和惯性的着陆段...

【专利技术属性】
技术研发人员：李茂登，黄翔宇，郭敏文，徐超，魏春岭，张晓文，胡锦昌，王晓磊，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11