[发明专利]一种深空着陆几何定轨定姿方法、系统及深空着陆器

说明书

本发明涉及一种深空着陆几何定轨定姿方法、系统及深空着陆器，该方法首先确定着陆器相对于火星的方向矢量和着陆器相对于火星中心的距离；根据着陆器相对于火星中心的距离和火星半径求解得到着陆器距离火星表面的高度；建立惯性坐标系x_Iy_Iz_I，得到惯性坐标系到体坐标系的姿态矩阵；进一步求解得到着陆器的惯性位置和惯性速度，本发明自主利用测距测速敏感器进行几何定轨定姿，针对动力下降段IMU出现故障的情况下，能够单纯利用测距测速敏感器进行定轨定姿，实现自主导航的初始基准捕获，减轻对惯导系统初始基准的依赖程度，提高了软着陆自主导航系统的鲁棒性和故障容忍能力，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。

技术领域

本发明涉及一种深空着陆几何定轨定姿方法、系统及深空着陆器，属于火星和深空探测软着陆任务的自主导航领域。

背景技术

火星探测任务的进入、下降与着陆段(Entry，Descent，and Landing，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主要分为大气进入、伞降和动力下降段，主要采取的是惯性自主导航方式，并在伞降段末期抛完大底以后利用测速测距进行修正。但是伞降过程动态极高，而且无法建立完善的动力学模型进行分析。这一过程的高动态导致IMU极易饱和甚至出现故障，而一段IMU出现饱和故障，将丧失姿态基准。而目前的着陆任务中在根据测距信息计算高度信息的，利用了惯导的姿态基准。一旦姿态丧失基准，高度信息解算错误就会影响任务的成功实施。2016年欧空局ExoMars火星任务的着陆器就是因为IMU出现饱和使得姿态基准丧失，造成了高度计算错误引发GNC指令执行错误，最终导致着陆器坠毁。为此需要研究考虑IMU出现故障，不依赖于IMU的定轨定姿方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种深空着陆几何定轨定姿方法，该方法针对动力下降段IMU出现故障的情况下，能够单纯利用测距测速敏感器进行定轨定姿，实现自主导航的初始基准捕获，减轻对惯导系统初始基准的依赖程度，进一步提高软着陆自主导航系统的鲁棒和故障容忍能力。

本发明的另外一个目的在于提供一种深空着陆几何定轨定姿系统及深空着陆器。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种深空着陆几何定轨定姿方法，包括：

确定着陆器相对于火星的方向矢量，根据所述方向矢量得到着陆器相对于火星中心的距离；

根据所述着陆器相对于火星中心的距离和火星半径求解得到着陆器距离火星表面的高度；

建立惯性坐标系x_Iy_Iz_I，其中z_I为火星的中心指向着陆器的位置方向，得到惯性坐标系到体坐标系的姿态矩阵；

根据所述惯性坐标系到体坐标系的姿态矩阵、着陆器相对于火星的方向矢量和着陆器距离火星中心的距离求解得到着陆器的惯性位置；根据所述惯性坐标系到体坐标系的姿态矩阵、着陆器的惯性位置和测速敏感器观测量求解得到着陆器的惯性速度。