[发明专利]一种基于星历约束辅助的自主天文导航方法

说明书

本发明公开一种基于星历约束辅助的自主天文导航方法，属于深空探测技术领域。本方法基于火星环绕段动力学模型建立导航状态方程，以火星卫星为导航目标天体建立导航观测模型，结合非线性滤波算法进行自主天文导航，在此基础上引入导航目标天体星历误差约束，采用概率密度函数截断法对滤波结果做进一步修正，能够保证滤波收敛并有效提高导航精度。

技术领域

本发明涉及一种基于星历约束辅助的自主天文导航方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

深空探测任务飞行距离远、空间环境复杂，仅依赖地面测控网进行导航在定位精度、实时性及可靠性方面存在诸多限制。基于光学测量的自主天文导航技术是解决这一问题的有效途径。在接近和环绕目标天体的探测阶段，可以利用行星及其卫星的视线方向或与背景恒星的角距等信息，估计探测器的位置和速度。然而在具体实施过程中，目标天体的星历误差会对导航性能产生很大影响，引起估计误差增大甚至滤波发散现象。以火星系统为例，两颗火星卫星(Phobos,Deimos)是接近和环绕过程中的理想导航天体，但其星历误差在公里量级，并呈现出周期性变化。另外，由于受火星遮挡、太阳光照等因素影响，可见弧段受限。因此，需要采取适当措施，避免导航性能劣化。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提出一种基于星历约束辅助的自主天文导航方法，解决了星历误差和观测受限引起的导航性能劣化。

本发明的技术方案是：一种基于星历约束辅助的自主天文导航方法，实现具体步骤如下：

步骤1：建立基于火星环绕段动力学模型的导航状态方程

其中，为导航系统状态变量，r_s，v_s分别为探测器的位置矢量和速度矢量；r_p，v_p分别为火星卫星的位置矢量和速度矢量，w为非相关过程噪声，遵循公式(2)的统计特性，其中Q为过程噪声协方差矩阵；

E(w)＝0,E(ww^T)＝Q (2)

步骤2：建立探测器导航观测模型

z＝h(x)+ν (3)

其中，z为导航系统的观测量，ν为测量噪声；

以火星卫星为导航目标天体进行光学测量，观测量为光学相机提供的导航目标天体视线方向矢量或导航目标天体与背景恒星的夹角；

步骤3：根据火星遮挡、太阳光照的影响，对导航目标天体的可见性作出预测，在可见弧段内，利用非线性滤波算法同步对探测器和导航目标天体的位置、速度状态进行联合估计，不可见时，仅利用动力学递推进行轨道预报；

步骤4：将导航目标天体的位置、状态转换为轨道要素，以常量要素为约束建立约束方程

步骤5：根据已知星历误差范围确定约束边界，利用概率密度函数截断法对原状态估计及其协方差进行修正。

所述步骤1中火星环绕段动力学模型采用火星中心惯性坐标系下考虑J₂扰动项的二体动力学模型，具体形式如下