[发明专利]基于分层大气模型的行星进入段导航滤波方法

摘要

本发明涉及一种基于分层大气模型的行星进入段导航滤波方法，属于深空探测技术领域。本发明方法在航位递推导航方法的基础上，把惯性单元(IMU)的输出当为外部测量值，同时引入多层大气模型，建立行星进入段测量方程，构建状态估计器，对着陆器的位置、速度及方位信息进行滤波估计，导航数据解算时间短，满足自主导航实时性需求；与单一的航位递推导航方法相比，能修正初始偏差对着陆器状态的影响，提高了导航精度。

主权项

1.基于分层大气模型的行星进入段导航滤波方法，其特征在于：具体流程如下：步骤1：建立行星大气进入段状态方程；在行星固联坐标系下，导航系统的状态矢量x包括探测器离行星中心的距离、着陆器的速度、方位角、航迹角、经度、纬度；即x＝[r v γ ψ θ φ]；行星大气进入段着陆器的状态模型建立为：r·=vsinγ]]>φ·=vcosγsinψr]]>θ·=vcosγcosψrcosφ]]>v·=FTm-gsinγ+ωMars2rcosφ(sinγcosφ-cosγsinφsinψ)]]>γ·=1v[FNcosσm-gcosγ+v2rcosγ+2ωMarsvcosφcosψ+ωMars2rcosφ(cosγcosφ+sinγsinφsinψ)]]]>ψ·=[FNsinσmcosγ-v2rcosγcosψtanφ+2ωMarsv(tanγcosφsinψ-sinφ)+ωMars2rcosγsinφcosφcosψ]]]>其中，F_T和F_N为气动阻力和升力，ω_Mars为行星自转角速度，g为行星表面重力加速度，σ为倾侧角，m表示着陆器质量，式中方位角ψ定义向东为零度；设着陆器大气进入过程是无控的，且着陆器质量恒定不变；引入多层指数模型，针对距行星表面不同表面高度，采用不同的模型参数，对行星表面大气进行指数拟合，行星表面大气密度随高度分布的表达式如下：ρ＝ρ_iexp(-β_iy)其中y表示着陆器距离行星表面高度；ρ_i为参考密度；β_i为标度系数；步骤2：建立行星大气进入段自主导航测量模型；考虑加速度计测量得到的着陆器三轴加速度，IMU测量输出矢量在速度坐标系中表示为：z=h(x)+υ=-dlsinσlcosσ+υ]]>其中σ表示倾侧角，是控制变量；为阻力加速度，为升力加速度；L2D为着陆器的升阻比；为弹道系数，S为着陆器参考面积，C_D为阻力系数，m为着陆器质量；υ为测量噪声；把IMU测量输出矢量转换至行星固联坐标系下，得到：ZMCMF=CPMCVP-dlsinσlcosσ]]>其中表示导航坐标系到行星固联坐标系的转换矩阵，表示速度坐标系到导航坐标系的转换矩阵：CPM=cosφcosθ-sinθ-sinφcosθcosφsinθcosθ-sinφsinθsinφ0cosθ]]>CVP=cosγsinγ0-sinγcosψcosγcosψ-sinψ-sinγsinψcosγsinψcosψ]]>步骤3：自主导航滤波解算；将进入段初始状态代入步骤1的状态模型及步骤2的测量模型z＝h(x)+υ，通过非线性导航滤波算法对探测器的状态进行估计；最终输出探测器状态信息。