基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法技术

本发明专利技术提供了一种基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法，首先分别以探测器的位置和速度和木星的位置和速度作为系统状态量，根据轨道动力学建立系统状态模型，再通过测角敏感器获得星光角距量测量，通过X射线脉冲星探测器获得脉冲到达时间量测量，根据星光角距量测量和脉冲到达时间量测量分别建立星光角距量测模型和脉冲到达时间量测模型，使用无迹卡尔曼滤波在线估计修正木星的位置和速度，并获得探测器的位置和速度估计信息，本发明专利技术抑制了木星星历误差对导航精度的影响，为木星探测器提供高精度的位置及速度估计信息，对木星探测器自主导航具有重要的实际意义。

【技术实现步骤摘要】
基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法
本专利技术涉及深空探测器自主导航
，特别涉及一种基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法。
技术介绍
我国于2020年7月23日发射了我国首次火星探测任务-天问一号，开展我国首次真正的行星探测，并计划一次性完成“绕、落、巡”三大任务。随着我国运载火箭和其他深空探测技术的发展和经济实力的提高，后续还将逐步开展金星、木星等探测任务。对于行星探测任务而言，导航精度对于任务的成败有着重要的影响。目前主要通过地面测控站为探测器提供导航信息，这种方法可以满足大部分的近地空间任务需求，但在进行较远距离的深空探测任务时，地面无线电测控主要存在通信时延长、可能受日凌和天体遮挡等干扰导致导航中断、运行成本高等三方面的问题，难以满足未来深空探测任务对高精度实时导航的需求。因此，提高探测器的自主导航能力对行星探测器而言是必要的。目前技术最成熟的自主天文导航是天文测角导航，这种方法的优点是瞬时定位精度高，可提供探测器相对目标天体的方向信息。但是，探测器与天体间距离越远，测角导航的定位精度越低，此外该方法无法直接提供探测器相对目标天体的距离信息。脉冲星测距导航可以为探测器提供高精度的定位信息，且导航精度不受探测器与天体间位置的影响。但是，对于木星探测任务而言，由于当前的测量水平有限，木星星历含有较大误差，量级约为数十公里，因此无法准确获得木星相对太阳的位置，影响导航精度。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法，其目的是为了解决木星星历误差对导航精度的影响的问题。为了达到上述目的，本专利技术的实施例提供了一种基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法，包括：步骤1，将探测器的位置和速度和木星的位置和速度作为系统状态量，根据轨道动力学建立系统状态模型；步骤2，通过测角敏感器获得星光角距量测量；步骤3，根据星光角距量测量建立星光角距量测模型；步骤4，通过X射线脉冲星探测器获得脉冲到达时间量测量；步骤5，根据脉冲到达时间量测量建立脉冲到达时间量测模型；步骤6，通过无迹卡尔曼滤波在线估计修正木星的位置和速度，获得探测器的位置和速度估计信息。其中，所述步骤1具体包括：将探测器的位置和速度和木星的位置和速度作为系统状态量，如下所示：其中，Xp＝[rpvp]T，rp表示探测器相对木星的位置，vp表示探测器相对木星的速度矢量，Xj＝[rjvj]T，rj表示木星相对太阳的位置，vj表示木星相对太阳的速度矢量。其中，所述步骤1还包括：系统状态方程，如下所示：其中，rp表示探测器相对木星的位置，vp表示探测器相对木星的速度矢量，rj表示木星相对太阳的位置，vj表示木星相对太阳的速度矢量，分别为rp、vp、rj、vj的导数，||g||表示矢量的2范数，||g||3表示||g||的立方，μj表示木星的引力常数，μs表示太阳的引力常数，rps表示探测器相对太阳的位置矢量，rsj＝rp-rps表示太阳相对木星的位置矢量，wp表示探测器受到的各种扰动造成的过程噪声，wj表示木星受到的各种扰动造成的过程噪声；将式(2)表示为如下所示：其中，表示状态量X的导数，表示时刻t的f(X(t),t)表示系统非线性状态转移函数，w＝[0wp0wj]T表示系统过程噪声矢量，w(t)表示时刻t的w。其中，步骤2具体包括：利用测角敏感器获得探测器与木星及背景恒星间的星光角距，将星光角距作为量测量建立星光角距量测模型，如下所示：其中，α1、α2和α3分别表示探测器与木星及三颗背景恒星间的星光角距，rp表示探测器相对木星的位置，s1、s2和s3分别表示惯性系下三颗背景恒星的方向矢量。其中，步骤3具体包括：将星光角距作为量测量Z1＝[α1α2α3]T，建立星光角距量测模型的表达式，如下所示：Z1＝h1[X(t),t]+V1(t)(5)其中，h1[X(t),t]表示星光角距的非线性连续量测函数，V1(t)表示t时刻星光角距的量测噪声。其中，步骤4具体包括：利用X射线脉冲星探测器获得脉冲到达时间量测量，将脉冲到达时间作为量测量建立脉冲到达时间量测模型，如下所示：其中，表示第i颗脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间，表示第i颗脉冲星脉冲到达探测器的时间，b表示太阳系质心相对太阳的位置矢量，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，μs表示太阳的引力常数，rps表示探测器相对太阳的位置矢量，rp表示探测器相对木星的位置，rj表示木星相对太阳的位置。其中，步骤5具体包括：将脉冲到达时间作为量测量建立脉冲到达时间量测模型的表达式，如下所示：其中，表示第i颗脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间，表示第i颗脉冲星脉冲到达探测器的时间，h2[X(t),t]表示脉冲到达时间的非线性连续量测函数，V2(t)表示t时刻脉冲到达时间的量测噪声。其中，步骤6具体包括：当滤波时刻没有脉冲到达时间量测量时，以固定滤波周期通过系统状态模型和星光角距量测模型并利用无迹卡尔曼滤波获得探测器的状态估计及误差协方差估计；当滤波时刻有脉冲到达时间量测量时，结合系统状态模型、星光角距量测模型和脉冲到达时间量测模型并通过无迹卡尔曼滤波获得探测器的状态估计及误差协方差估计，得到导航信息。本专利技术的原理：由于木星星历存在较大误差，因此将木星的位置及速度作为状态扩维到状态量中，通过星光角距量测量及脉冲到达时间量测量对木星的位置及速度进行在线估计，提高木星位置及速度的准确性，提高导航精度。本专利技术的上述方案有如下的有益效果：本专利技术的上述实施例所述的基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法，实现深空探测器的高精度自主导航，通过星光角距量测量获得探测器相对木星的方向信息，同时通过脉冲到达时间量测量获得探测器相对太阳的距离信息，通过对木星位置及速度在线估计消除木星星历误差对测量信息准确性的影响，提高导航精度。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术中基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航流程图；图3为本专利技术的X射线脉冲星导航原理示意图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术针对现有的木星星历误差对导航精度的影响的问题，提供了一种基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法。如图1至图3所示，本专利技术的实施例提供了一种基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法，包括：步骤1，将探测器的位置和速度和木星的位置和速度作为系统状态量，根据轨道动力学建立系统状态模型；步骤2，通过测角敏感器获得星光角距量测量；步骤3，根据星光角距量测量建立星光角距量测模型；步骤4，通过X射线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法，其特征在于，包括：/n步骤1，将探测器的位置和速度和木星的位置和速度作为系统状态量，根据轨道动力学建立系统状态模型；/n步骤2，通过测角敏感器获得星光角距量测量；/n步骤3，根据星光角距量测量建立星光角距量测模型；/n步骤4，通过X射线脉冲星探测器获得脉冲到达时间量测量；/n步骤5，根据脉冲到达时间量测量建立脉冲到达时间量测模型；/n步骤6，通过无迹卡尔曼滤波在线估计修正木星的位置和速度，获得探测器的位置和速度估计信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法，其特征在于，包括：
步骤1，将探测器的位置和速度和木星的位置和速度作为系统状态量，根据轨道动力学建立系统状态模型；
步骤2，通过测角敏感器获得星光角距量测量；
步骤3，根据星光角距量测量建立星光角距量测模型；
步骤4，通过X射线脉冲星探测器获得脉冲到达时间量测量；
步骤5，根据脉冲到达时间量测量建立脉冲到达时间量测模型；
步骤6，通过无迹卡尔曼滤波在线估计修正木星的位置和速度，获得探测器的位置和速度估计信息。


2.根据权利要求1所述的基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
将探测器的位置和速度和木星的位置和速度作为系统状态量，如下所示：



其中，Xp＝[rpvp]T，rp表示探测器相对木星的位置，vp表示探测器相对木星的速度矢量，Xj＝[rjvj]T，rj表示木星相对太阳的位置，vj表示木星相对太阳的速度矢量。


3.根据权利要求2所述的基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法，其特征在于，所述步骤1还包括：
系统状态方程，如下所示：



其中，rp表示探测器相对木星的位置，vp表示探测器相对木星的速度矢量，rj表示木星相对太阳的位置，vj表示木星相对太阳的速度矢量，分别为rp、vp、rj、vj的导数，||g||表示矢量的2范数，||g||3表示||g||的立方，μj表示木星的引力常数，μs表示太阳的引力常数，rps表示探测器相对太阳的位置矢量，rsj＝rp-rps表示太阳相对木星的位置矢量，wp表示探测器受到的各种扰动造成的过程噪声，wj表示木星受到的各种扰动造成的过程噪声；
将式(2)表示为如下所示：



其中，表示状态量X的导数，表示时刻t的f(X(t),t)表示系统非线性状态转移函数，w＝[0wp0wj]T表示系统过程噪声矢量，w(t)表示时刻t的w。


4.根据权利要求3所述的基于在线估计的木星探测器测角/测距组合导航方法，其特征在于，步骤2具体包括：
利用测角敏感器获得探测器与木星及背景恒星间的星光角距，将星光角距作为量测量建立星光角距量测模型，如下所示：
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【专利技术属性】
技术研发人员：桂明臻，陈溅来，魏才盛，芦佳振，韩松来，张俊超，戴明哲，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43