[发明专利]一种卫星相对小行星视觉自主导航方法

说明书

本发明公开了一种卫星相对小行星视觉自主导航方法。首先以跟踪观测小行星为目的，设计卫星理论飞行轨道参数，然后根据地心惯性坐标系下卫星相对目标小行星轨道动力学模型，建立自主导航系统状态模型；其次提出卫星星敏感器观测小行星所需满足的理论光照条件和成像条件。计算小行星相对卫星理论方位角与俯仰角，调整真实星敏感器光轴与理论方向一致，对小行星进行真实观测，建立以相对单位方向矢量和距离为观测量的观测方程；最后使用Unscented卡尔曼滤波估计卫星位置和速度。本发明能有效修正卫星的位置误差，提高导航精度，非常适用于跟踪目标小行星的卫星自主导航，不仅为跟踪目标小行星的卫星提供高精度导航信息，而且为其自主导航系统设计提供参考。

技术领域

本发明属于航天器深空探测的空间测量领域，尤其涉及一种卫星相对小行星视觉自主导航方法。

背景技术

随着深空探测技术的发展，小行星探测已成为21世纪深空探测的重要内容之一，开展小行星探测不仅有助于揭开太阳系和生命的起源、演化之谜，而且可促进地球防护、空间科学和空间技术应用的发展，能为更远的深空探测关键技术提供验证。

目前，各主要航天国家都十分重视深空探测战略的制定工作，从战略高度明确了各自的发展方向和重点，但目前对小行星的探测工作还处于初级阶段，相关技术尚未成熟，有待进一步验证和完善。小行星探测的主要手段包括：飞越探测、绕飞探测、着陆取样探测三种方式，其中为了在小行星附近进行飞越探测和伴飞探测，都需要通过星载监测设备对小行星进行远程观测，以获得小行星的地形、地貌等外部信息。此外，由于小行星周围引力场复杂、测控信息匮乏、探测器与地面控制站通信延迟大等特点，传统的无线电跟踪技术难以满足导航实时性的要求，使得小行星探测任务中的自主导航技术成为了小行星探测技术需要研究的重点之一。

综上所述，由于传统可见光相机无法始终连续跟踪观测小行星，因此这就使得研究针对小行星的新型光学测量方法显得迫切重要，不仅可以为我国深空探测任务提供技术储备，同时也可以促进其他相关研究课题和工程项目的进展，为我国航空航天技术进步做出贡献。

发明内容

发明目的：本发明针对面向小行星的深空探测，卫星无法始终连续跟踪观测小行星导致信息缺失的问题，提出一种卫星利用星敏感器自主连续观测小行星进行自主导航的新方法，为深空探测卫星提供高精度相对观测信息。

技术方案：一种卫星相对小行星视觉自主导航方法，步骤如下：

(1)以目标小行星为跟踪观测对象，根据小行星星历，设计卫星理论飞行轨道参数；

(2)根据地心惯性坐标系下卫星相对目标小行星轨道动力学模型，建立自主导航系统状态模型；

(3)根据计算的卫星和小行星相对距离，判断是否满足星敏感器观测距离要求，满足则进入步骤(4)，否则进入步骤(12)；

(4)根据解算的太阳、地球和小行星三者位置关系，判断小行星是否处在太阳光照区，是则进入步骤(5)，否则进入步骤(12)；

(5)根据解算的太阳、卫星和小行星三者位置关系，判断地球是否进入星敏感器视场，是则进入步骤(6)，否则进入步骤(12)；

(6)根据计算的小行星可视星等，判断小行星可视星等是否小于星敏感器可观测阈值，是则进入步骤(7)，否则进入步骤(12)；

(7)根据计算的小行星相对卫星方向矢量与星敏感器光轴指向夹角，判断小行星是否在星敏感器视场范围内，是则进入步骤(8)，否则利用万向轴调整星敏感器光轴指向后，继续判断小行星是否在星敏感器视场范围内，是则进入步骤(8)，否则进入(12)；

(8)根据计算的小行星在星敏感器二维像面阵坐标，判断小行星是否在星敏感器二维像面阵内，是则进入步骤(9)，否则进入步骤(12)；