[发明专利]火星动力下降段多源信息组合导航的迭代SKF方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种火星动力下降段组合导航的自主导航方法，具体涉及一种火星动力下降段多源信息组合导航的迭代SKF方法,属于航天自主导航技术领域.

背景技术

火星探测器要进行火星表面软着陆必须经历进入段、下降段和着陆段（简称EDL）三个阶段。尽管整个EDL过程只有6-10分钟，但是这是整个火星探测任务最危险、最重要的过程之一。

动力下降段开始于火星探测器距离地面6-12千米时。开始时，打开超音速降落伞，但是由于此时马赫数较高，无法立即抛掉挡热板，因此这一段仍然无法用其他传感器，只能依靠惯性测量单元（简称IMU）进行导航；当速度减小到0.7马赫时，挡热板被抛掉，火星探测器上携带的高度计、多普勒雷达和激光雷达等测量仪器开始工作，此时可以利用多种测量仪器提供的测量信息进行自主导航。雷达等测量仪器的体积、重量和功耗都比较大，导致应用受到限制，特别是在小型火星探测器上，鉴于此美国喷气推力实验室开发了一种微型传感器（简称MCAV），它采用激光进行测距测速，直接输出探测器的3个方向的高度和速度，集合了高度计和速度计两种传感器，具有重量轻、体积小、精度高、能耗低等优点。本发明基于IMU和MCAV提供的测量信息进行信息融合，建立一种火星动力下降段组合导航的自主导航方法。

基于IMU和MCAV的组合导航系统存在IMU的陀螺仪和加速度计的未知常值漂移和MCAV提供的高度和速度存在偏差等问题，已有的滤波方法无法很好的解决这个问题。彭玉明将IMU的陀螺和加速度计的常值漂移引入到估计状态中利用扩展卡尔曼滤波（简称EKF）进行估计，但是在X和Y方向存在常值位置误差，而且对陀螺和加速度计的漂移估计效果不好，而且无迹滤波方法（简称UKF）由于扩充了状态导致维数过大，无法满足实时性要求（参见彭玉明,“新型火星EDL导航、制导与控制技术研究”,硕士论文，南京航空航天大学,2011.）。

本发明在提出的火星动力下降段多源信息组合导航的迭代SKF滤波考虑了这些偏差的方差并将其引入到滤波算法中，但是不估计它们。同时，对量测更新使用迭代方法，有助于消除对量测方程进行泰勒级数展开时带来的截断误差，增量滤波的稳定性。此种自主导航滤波算法不但考虑了这些偏差和截断对导航状态的影响，而且减少了计算量和计算复杂度，有利于火星动力下降段对探测器的状态进行实时高效地估计。

发明内容

本发明的目的是提供一种火星动力下降段多源信息组合导航的迭代SKF方法。在火星动力下降段，动力学方程是非线性的，而现有的非线性自主导航滤波算法无法消除动力学方程和量测方程中这些偏差以及对量测方程进行泰勒级数展开时带来的截断误差，会严重影响估计状态的收敛性，或采用状态扩维方法导致计算量急剧增加的不利于实时估计的现象。本发明所提出的迭代SKF滤波算法考虑了这些偏差的方差并将其引入到滤波算法中，但是不估计它们，同时利用迭代方法消除对量测方程进行泰勒级数展开时带来的截断误差。此种自主导航滤波算法不但考虑了这些偏差和截断误差对导航状态的影响，而且减少了计算量和计算复杂度，有利于火星动力下降段对探测器的状态进行实时高效地估计。

本发明提供一种火星动力下降段多源信息组合导航的迭代SKF方法，它包括以下四个步骤：

步骤一、利用火星动力下降段的动力学方程

火星动力下降段的情况比较复杂，建立精确的动力学模型非常困难，在考虑IMU输出的基础之上，利用其构造动力下降段的动力学方程：

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