[发明专利]一种月面巡视探测器双模式惯性/视觉/天文导航方法

说明书

本发明涉及一种月面巡视探测器双模式惯性/视觉/天文导航方法，当月面巡视探测器运动时，采用惯性/视觉/天文组合导航模式，利用天文导航提供的星光矢量及惯性导航系统和视觉导航系统提供的相对位置和姿态误差，对月面巡视探测器的姿态误差和惯性器件误差进行修正。当月面巡视探测器静止时，导航系统工作在惯性/天文组合导航模式，可由天文导航系统提供的星光矢量、星光高度和惯性导航系统提供的水平速度误差修正导航系统的位置和姿态误差。本发明可为月面巡视探测器提供高精度的位置、速度及姿态信息，对深空探测器自主导航具有重要的实际意义。

技术领域

本发明属于航天器自主导航领域，涉及一种适用于月面巡视探测器“走走停停”运动模式的双模式自主惯性/视觉/天文导航方法。

背景技术

深空探测技术作为一个国家综合国力、军事应用价值和科学技术发展水平的重要特征与标志，已引起世界各国的极大关注。随着我国深空探测技术的不断发展，我国的深空探测能力不断提升，我国已经具备探测月球的能力。

月面巡视探测器如“玉兔二号”位于月球背面，无法靠地面站直接进行测控，虽然可通过中继星中转，但由于中继星的能力有限，会导致时延非常长，因此就要求月面巡视探测器必须具备长时间、长距离的高精度、高可靠、自主导航能力，但惯性导航误差随时间发散，视觉导航误差随距离发散，都无法达到这一要求，而天文导航的误差不受时间和距离的影响，可有效修正惯性和视觉导航的误差。因此，惯性导航、视觉导航和天文导航具有很好的优势互补特性，对于长时间、长距离的探测器自主导航任务，利用天文信息辅助惯性导航和视觉导航实现月面巡视探测器的自主导航是一种可行的方法。由于月面巡视探测器在运动时受水平加速度的影响，无法获取高精度的水平信息，此时天文导航不能提供位置信息，只能提供姿态信息。而对于处于静止状态的月面巡视探测器，由于没有水平运动加速度的干扰，利用加速度计等重力敏感器件等可获得高精度的水平基准，结合星敏感器的测量信息，就可获得天体高度，并进一步获得月面巡视探测器的位置。因此，在静止条件下，天文导航可以辅助惯性导航实现位置和姿态的获取。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服单独使用某种导航方法存在的缺点，为月面巡视探测器提供一种将惯性导航、视觉导航和天文导航结合的适用于月面巡视探测器运动和静止两种工作模式的双模式自主导航方法，提供高精度的位置、速度和姿态信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种月面巡视探测器双模式惯性/视觉/天文导航方法，包括如下步骤：

步骤1：获取星敏感器测量的星光矢量、天体高度，惯性导航系统和视觉导航系统测量的相对位置和姿态误差，以及惯性导航系统测量的水平速度误差；

步骤2：当月面巡视探测器运动时，首先根据月球固连坐标系下捷联惯导的力学编排，以惯性导航误差方程作为状态模型；再分别以惯性导航系统和视觉导航系统获得的相对位置和姿态误差及星敏感器测量的星光矢量作为量测量，之后根据这些量测量分别建立惯性导航系统和视觉导航系统获得的相对位置和姿态误差的量测模型及星光矢量的量测模型；并使用无迹卡尔曼滤波UKF滤波估计月面巡视探测器的位置、速度和姿态，对月面巡视探测器的姿态误差和惯性器件误差进行修正；

步骤3：当月面巡视探测器静止时，速度为零，首先建立简化的惯导误差方程作为状态模型；再分别以惯性导航系统获得的水平速度误差及星敏感器测量的星光矢量和星光高度作为量测量，之后根据这些量测量分别建立水平速度误差的量测模型及星光矢量、星光高度的量测模型；并使用UKF滤波估计月面巡视探测器的位置、速度和姿态，对月面巡视探测器的位置和姿态误差以及惯性器件误差进行修正。

进一步的，所述步骤2中，当月面巡视探测器运动时的具体导航步骤如下：

步骤2.1建立月面巡视探测器运动时惯性/视觉/天文组合导航系统状态模型

以月球固连坐标系下捷联惯导的误差方程作为系统状态模型：