一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法技术

本发明专利技术涉及一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，属于自主轨道确定领域；步骤一、根据当前周期火星探测器的状态量

An autonomous navigation method of toroidal fire orbit based on spherical traceless transformation

【技术实现步骤摘要】
一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法
本专利技术属于自主轨道确定领域，涉及一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法。
技术介绍
火星探测器在长期环火飞行过程中，对火星进行全球遥感探测，导航是整器进行姿态基准计算的基础。地球卫星轨道计算一般根据地面测定轨提供轨道初值，在线进行轨道递推或利用星载GNSS设备解算高精度轨道数据。然而对于火星探测器而言，在环绕火星飞行过程中，具有器地距离远，无GNSS可用的特点，单纯借鉴地球卫星的轨道计算方法存在可测窗口狭窄，无GNSS可用，信息延迟大，自主性差的问题，为提高火星环绕器轨道计算的可靠性及轨道计算的精度，需要降低对地面的依赖度，实现自主轨道计算。此外，目前广泛应用的的线性化导航算法舍弃高阶项，精度较差。无法满足火星探测器环火探测的要求。
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，提出一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，实现了探测器在自主导航过程中，能够利用火星探测器的全力场模型，提高了轨道自主确定的精度。本专利技术解决技术的方案是：一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，包括如下步骤：步骤一、测量当前周期火星探测器的状态量状态量包括三维位置和三维速度，根据火星探测器的三维位置建立sigma点集；sigma点集包括13个特征点，计算各特征点spi当前周期的状态量；i为特征点序号，i＝1，2，……，13；步骤二、根据火星探测器轨道动力学模型，对各特征点分别以当前周期的状态量为初值，递推各特征点下一周期的状态量步骤三、根据各特征点下一周期的状态量和上一周期火星探测器的位置和速度，计算当前周期的近似无迹均值和近似无迹状态量协方差步骤四、计算下一周期第i个特征点的测量预测值计算下一周期测量预测均值步骤五、根据测量噪声常值矩阵R，计算当前周期火星探测器的测量量协方差Pyy和测量-状态量协方差PXy；步骤六、计算下一周期的增益值Kk+1；并根据下一周期的增益值Kk+1计算下一周期火星探测器的状态量在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤一中，所述sigma点集的建立方法为：以当前火星探测器位置为中心，建立球体，在球体表面随机选取13个特征点，即为sigma点集；每个特征点表示在球体表面对应位置的状态量。在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，各特征点的状态量的计算方法为：令则，式中，表示当前周期火星探测器的状态量；spi表示第i个sigma点；Pci表示6×1常值矩阵，在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤二中，所述火星探测器轨道动力学模型的环境参数设置为：火星为中心引力体；火星的引力为4阶非球形引力；动力学模型包括太阳引力和太阳光压摄动模型。在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤三中，当前周期的近似无迹均值的计算方法为：式中，ω0＝0.25；ω1＝0.0625；近似无迹状态量协方差的计算方法为：式中，为6×6的矩阵，其中对角线值为1000，其余值为0。在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤四中，下一周期第i个特征点的测量预测值的计算方法为：下一周期测量预测均值的计算方法为：在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤五中，测量量协方差Pyy的计算方法为：式中，i＝2，3，……，13；测量-状态量协方差PXy的计算方法为：在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述测量噪声常值矩阵R为角线为5×e-13的四阶方阵。在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤六中，下一周期的增益值Kk+1的计算方法为：在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤六中，下一周期火星探测器的状态量的计算方法为：式中，ys为测量得到的火星探测器指向火星的单位矢量和火星的视半径。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术通过一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，突破了轨道动力学非线性严重的问题，使得火星探测器自主导航的精度得到提高。解决了环火期间长期运行的自主轨道计算问题，能够节省地面测控资源，并提高火星探测器在轨安全性。(2)本专利技术计算当前状态量的sigma特征点，提高了一步预测的准确度；(3)本专利技术通过采用球形无迹变换的方法，提高了自主导航的精度。附图说明图1为本专利技术环火轨道自主导航流程图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步阐述。探测器自主轨道确定时根据星敏感器输出的姿态四元数和导航敏感器输出的轨道信息计算火星惯性系下探测器的位置，利用球形无迹变换的基本原理构造滤波算法，实时估计探测器的位置，速度。与现有技术相比，其有益效果是：一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，使探测器在自主导航过程中，能够利用火星探测器的全力场模型，提高了轨道自主确定的精度。如图1所示，环火轨道自主导航方法，主要包括如下步骤：步骤一、测量当前周期火星探测器的状态量状态量包括三维位置和三维速度，根据火星探测器的三维位置建立sigma点集；sigma点集包括13个特征点，计算各特征点spi当前周期的状态量；i为特征点序号，i＝1，2，……，13；所述sigma点集的建立方法为：以当前火星探测器位置为中心，建立球体，在球体表面随机选取13个特征点，即为sigma点集；每个特征点表示在球体表面对应位置的状态量。各特征点的状态量的计算方法为：令则，式中，表示当前周期火星探测器的状态量；spi表示第i个sigma点；Pci表示6×1常值矩阵，如下所示：步骤二、根据火星探测器轨道动力学模型，对各特征点分别以当前周期的状态量为初值，递推各特征点下一周期的状态量火星探测器轨道动力学模型的环境参数设置为：火星为中心引力体；火星的引力为4阶非球形引力；动力学模型包括太阳引力和太阳光压摄动模型。步骤三、根据各特征点下一周期的状态量和上一周期火星探测器的位置和速度，计算当前周期的近似无迹均值和近似无迹状态量协方差当前周期的近似无迹均值的计算方法为：式中，ω0＝0.25；ω1＝0.0625；近似无迹状态量协方差的计算方法为：式中，为6×6的矩阵，其中对角线值为1000，其余值为0。步骤四、根据观测机理，计算火星探测器指向火星的单位矢量以及火星的视半径，作为测量量的预测值；计算下一周期第i个特征点的测量预测值计算下一周期测量预测均值下一周期第i个特征点的测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤一、测量当前周期火星探测器的状态量

【技术特征摘要】
1.一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、测量当前周期火星探测器的状态量状态量包括三维位置和三维速度，根据火星探测器的三维位置建立sigma点集；sigma点集包括13个特征点，计算各特征点spi当前周期的状态量；i为特征点序号，i＝1，2，……，13；
步骤二、根据火星探测器轨道动力学模型，对各特征点分别以当前周期的状态量为初值，递推各特征点下一周期的状态量
步骤三、根据各特征点下一周期的状态量和上一周期火星探测器的位置和速度，计算当前周期的近似无迹均值和近似无迹状态量协方差
步骤四、计算下一周期第i个特征点的测量预测值计算下一周期测量预测均值
步骤五、根据测量噪声常值矩阵R，计算当前周期火星探测器的测量量协方差Pyy和测量-状态量协方差PXy；
步骤六、计算下一周期的增益值Kk+1；并根据下一周期的增益值Kk+1计算下一周期火星探测器的状态量


2.根据权利要求1所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：所述步骤一中，所述sigma点集的建立方法为：
以当前火星探测器位置为中心，建立球体，在球体表面随机选取13个特征点，即为sigma点集；每个特征点表示在球体表面对应位置的状态量。


3.根据权利要求2所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：各特征点的状态量的计算方法为：
令则，
式中，表示当前周期火星探测器的状态量；
spi表示第i个sigma点；
Pci表示6×1常值矩阵，Pci＝-Pci-6,i＝7,8,9,10,11,12。


4.根据权利要求3所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：所述步骤二中，所述火星探测器轨道动力学模型的环境参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱庆华，肖东东，鲁启东，印兴峰，唐文国，马瑞，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31