一种基于进入圆球的火星高层大气风场及密度反演方法技术

本发明专利技术提供一种具有较高精度的火星高层大气风场及密度反演方法。具体实现方法为构建进入圆球的大气阻力加速度与大气风速、密度等参数间的关系，使用加速度计和陀螺仪等惯性组件联合确定进入圆球的轨迹姿态参数，基于加速度计测得的大气阻力方向实现大气风场参数反演，基于大气阻力模值及大气阻力系数建模实现大气密度反演。本发明专利技术具有精度高，低成本的优点，有效载荷仅包括一个三轴加速度计和一个陀螺仪，基于精密仪器给出的高精度数据可得到高精度的结果，可以基于微纳卫星平台实现，在此基础上组建微纳卫星探测星群，可实现对火星高层大气的全覆盖探测。层大气的全覆盖探测。层大气的全覆盖探测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于进入圆球的火星高层大气风场及密度反演方法


[0001]本专利技术提供一种具有较高精度的火星高层大气风场及密度反演方法，它涉及使用进入圆球搭载加速度计和陀螺仪等惯性组件确定其轨迹姿态参数、基于加速度计测得的大气阻力方向实现大气风场参数反演、基于大气阻力模值及阻力系数建模实现大气密度反演的一系列方法。属于航天


技术介绍

[0002]火星大气的研究对于未来的火星探测活动有着重要意义。火星大气风场和密度是建立火星轨道器、着陆器以及未来火星航空器飞行动力学模型的重要参数，是火星进入飞行器的基本输入参数，其误差直接影响进入飞行器的气动布局和热防护设计。建立高精度的火星全球大气风场和密度模型，将来可以为火星外空间航天器的轨道设计、指引火星着陆器的着陆及在火星表面的行动、火星上航空器的空气动力学外形设计和控制导引飞行提供重要的数据支持。目前，火星大气数据库主要有NASA的火星全球参考大气模型(Mars-GRAM)和欧洲的火星气候数据库(MCD)，而我国尚未建立统一自主的火星大气数据。
[0003]美国最早实现对火星探测的是水手(Mariner)系列探测器，1964年发射的水手4号是第一次拍到火星表面的照片的探测器，之后的水手6号和水手7号发回了一些数据并传回了很多照片，水手9号是第一个环绕火星轨道进行任务的探测器，带回了更加丰富的火星资料。水手系列使用无线电掩星法测量了火星的电离层电子浓度以及火星的大气压力和温度等参数，证实了火星大气主要成分为二氧化碳气体。1975年的海盗计划是美国火星探测最成功的一个计划。其轨道器上装有红外光谱仪，用以探测火星大气中的水汽，分析其成分；红外辐射计来测量火星表面的温度分布及大气的温度。采用无线电掩星法探测火星大气层和电离层特性，包括电子浓度剖面、大气压力和大气温度。着陆器携带大气体色层分离质谱仪探测火星大气成分的变化，进行了大气成分分析。测得火星大气组成：二氧化碳含量为95％、氮气含量为2.7％、氧气含量为0.03％、氩气含量为1.6％，还有极少含量的氪、氙等其他微量气体，与地球大气物质组成极为相似，但含量大不相同。
[0004]自海盗系列探测器成功着陆火星之后，美国陆续发射了多个火星着陆探测器。 1996年，美国发射火星全球勘测者从火星环绕轨道上进行了无线电掩星探测。火星环球勘测者的主要任务拍摄火星表面的高分辨率图像，研究火星的地貌和重力场探测火星的天气和气候，其携带的热辐射计可以测量大气温度及压力，分析火星表面和大气的组成。同年，发射的火星探路者号分为轨道飞行器和着陆器。着陆器在着陆过程中通过加速度计测量着陆器的非保守力所致加速度数据来反演火星大气密度同时测量火星表面的温度和压力等参数。
[0005]2003年，欧空局的火星快车号探测器搭载紫外和红外大气分光计，分析研究了火星大气成分，并开展了无线电掩星实验。同年，美国的勇气号和机遇号成功进入火星轨道开展任务，期间也都对火星大气进行了探测。2005年，美国发射了火星勘测轨道飞行器搭载有气候探测器测量火星大气温度、压力和湿度等参数。2008年，美国的凤凰号火星探测器在火
星北极成功着陆，随后证明了火星上有水的存在。同时，也进行了火星表面大气探测任务。2011年，美国发射好奇号火星探测器搭载有火星车环境监测站，测量火星地表大气压强、温度、风速和风向等参数。2013年，美国发射了火星大气和挥发演化探测器(MAVEN), 搭载了紫外成像分光计和中性气体光谱仪，分别测量火星高层大气/电离层和中低层大气的组成成分。同年，印度宇航局发射了火星轨道器,搭载了Lyman-Alpha 光度计和甲烷传感器分别测量火星大气中的氢元素和甲烷分布。2016年，由欧空局和美国航天局共同开展的火星探测计划ExoMars火星气体探测器发射入轨。该探测器搭载了5个科学探测仪器对火星大气构成进行研究。2018年，美国发射洞察号火星探测器，其辅助有效载荷子系统能获得更多更全面的全天候火星天气信息。
[0006]对于火星大气密度的反演方法主要有：着陆过程中的加速度反演法、着陆后压力-温度-成分反演法。
[0007]加速度反演法的基本原理是：根据火星大气密度和着陆器下降过程中的加速度之间的关系，在已知着陆器的阻力系数、质量、沿速度方向的投影面积等参数的基础上，反演得到火星大气密度。该方法在美国海盗系列、探路者号、凤凰号和好奇号等多个火星着陆器上已得到应用。
[0008]压力-温度-成分反演法的基本原理是：当着陆器在火星着陆后，压力传感器会测得火星地表附近的大气压强，结合着陆点周围的大气温度和成分等参数，反演得到火星表面大气密度。
[0009]类似的地球热层大气密度反演问题研究方法主要包括高精度轨道反演法和加速度计测量法两种方案。高精度轨道反演法是使用卫星在轨测量的精密轨道数据来反演热层大气密度，又分为半长轴衰减法和能量衰减法。加速度计测量法使用航天飞行器携带高精度加速度计来测量数据以用来反演大气密度。
[0010]2004年，Bruinsma等人使用加速度计测量法利用CHAMP卫星搭载的高精度加速度计测量数据反演得到地球热层大气密度。2005年，Picone等人使用半长轴衰减法反演了地球热层大气的密度。2007年，Sutton等人利用CHAMP卫星搭载的高精度加速度计测量数据反演了大气密度及风场，得到的密度误差小于 15％，风速误差则更大。2012年，Sang等人提出了一种从近地轨道卫星精确轨道数据中获得高时间分辨率大气质量密度的新方法。当以加速度计数据反演密度作为参考值时，得到的密度的平均相对精度约为2-3％。同年，Doornbos等人提出了一种由卫星多轴加速度计测量值确定密度和横向风的迭代算法。在没有外部误差源的情况下，该算法将密度均方根误差从0.7％降到了0.03％，风速均方根误差从38m/s减小到1m/s。2016年，李文文等人使用加速度计反演法利用 GRACE星载加速度计数据反演了2007-2009年间的热层大气密度。反演结果比 Doornbos的结果系统偏差大约5％～8％，两者之间的标准差在10％以内。2017 年，李若曦等人使用能量衰减法反演了热层大气密度。其结果与半长轴衰减法反演结果一致，但计算速度有极大的提升。在反演过程中可对加速度计数据进行标定，标定后的较为准确的加速度计数据可用于密度反演。
[0011]另外，在过去人们对火星大气参数的探测大多数仅限于火星电离层的电子浓度及火星大气密度，而很少涉及对风场参数反演的研究。
[0012]综上，本专利技术提出了一种具有较高精度的火星高层大气风场及密度反演方法，其利用进入圆球携带精密加速度计和陀螺仪测量数据，通过建立大气阻力与大气风场及密度
之间的耦合关系来反演大气参数，得到较高精度的结果。其得到的风场和密度模型对于未来火星探测飞行器的设计和自主飞行控制具有至关重要的意义。

技术实现思路

[0013](一)专利技术目的
[0014]本专利技术为解决对火星大气参数的探测问题，提出一种基于进入圆球的火星高层大气风场及密度反演方法。本专利技术具有精度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于进入圆球的具有较高精度的火星高层大气风场及密度反演方法，其特征在于：其步骤如下：步骤一：获取圆球本体系大气阻力加速度分量利用加速度计标度因子的初始估计值修正测量偏差，得到较为准确的大气阻力加速度。步骤二：确定圆球的轨迹姿态利用加速度计和陀螺仪数据进行圆球自主轨迹姿态确定，利用捷联惯性导航方程进行数值积分得到圆球轨迹姿态。步骤三：获取火星固连系下圆球大气阻力方向圆球受到的大气阻力的方向由加速度计输出数据可以得出。大气阻力方向与受到的大气阻力加速度方向一致。步骤四：基于大气阻力方向的大气风场反演圆球的阻力加速度方向与圆球相对风速的速度方向相反，故阻力加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙秀聪，李萧，耿铖，陈培，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：