[发明专利]面向深空探测捕获段的深度组合导航方法

摘要

本发明提供一种面向深空探测捕获段的深度组合导航方法，包括预备阶段和滤波阶段；所述预备阶段建立深空探测器的轨道动力学模型、测向模型、测距模型、测速模型；所述滤波阶段利用扩展卡尔曼滤波器滤波，在导航滤波器中的状态转移模型为轨道动力学模型，导航滤波器中的测量模型选择包括在脉冲观测周期内，未获得测距信息时选择测向模型或测速模型，并对X射线敏感器接收的脉冲信号进行补偿；当脉冲信号累积完毕获得测距信息时，选择测距模型；导航滤波器利用测距模型，根据获取导航所需的位置和速度矢量。本发明抑制了脉冲到达时间多普勒偏差，滤波器收敛，定位精度高，并且对传感器要求很低。因此，本发明对航天器自主导航具有重要的实际意义。

主权项

1.一种面向深空探测捕获段的深度组合导航方法，其特征在于，基于金星探测器进行深度组合导航，包括预备阶段和滤波阶段，所述预备阶段，包括建立导航滤波所需的各种模型，包括以下步骤，步骤A1，建立深空探测器的轨道动力学模型，实现如下，设深空探测器的状态矢量X为，其中，r＝[x,y,z]^T和v＝[v_x,v_y,v_z]^T分别为深空探测器的位置和速度矢量，x,y,z分别为深空探测器的位置在三轴上的分量，v_x,v_y,v_z分别为深空探测器的速度在三轴上的分量；则深空探测器的轨道动力学模型为，其中，分别为x,y,z，v_x,v_y,v_z的导数，式(2)表示为，其中，是状态矢量X的导数，为时刻t的f(X,t)为深空探测器的状态转移模型，[x₁,y₁,z₁]和[x₂,y₂,z₂]分别是金星和地球相对于太阳系质心的相对位置矢量，μ_s,μ_v,μ_e分别是太阳、金星和地球的引力常数，r_ps,r_pv,r_pe分别是深空探测器到太阳质心，金星质心以及地球质心之间的距离；r_sv,r_se分别是金星质心、地球质心分别到太阳质心之间的距离；ω(t)为时刻t深空探测器的导航系统噪声；步骤A2，建立测向模型如下，其中，Z是测向值，r_v是金星位置矢量，υ是测向噪声；步骤A3，建立测距模型如下，其中，t和t_b分别是脉冲到达航天器和太阳系质心的时间；n是脉冲星方位矢量；D₀是脉冲星到太阳系质心的距离，b是太阳系质心相对于太阳质心的位置矢量，c是光速，σ是TOA测量噪声，|·|表示矢量的模；步骤A4，建立测速模型如下，其中，V是测速值，υ是测速噪声；所述滤波阶段利用扩展卡尔曼滤波器滤波，包括在导航滤波器中的状态转移模型为轨道动力学模型，导航滤波器中的测量模型选择包括以下步骤，步骤B1，在当前脉冲观测周期内，未获得当前脉冲观测周期的测距信息时，选择测向模型或测速模型，并利用基于多普勒补偿的历元叠加方法对X射线敏感器接收的脉冲信号进行补偿，补偿实现如下，步骤B11，X射线敏感器记录单个X射线光子的到达时间；步骤B12，对X射线光子到达时间进行多普勒补偿，过程如下，(a)估计航天器当前速度当滤波器有反馈时，该数值采用反馈值；否则，通过积分式三获得；(b)利用按式四补偿X射线光子到达时间；第i个子脉冲多普勒补偿量表示如下，其中，第i个脉冲周期为P_i，脉冲星观测周期内的脉冲数为N，t_i为第i个子脉冲的到达时间，n为脉冲星方位矢量，T表示转置，c为光速第k个脉冲周期为P_k，是第k个脉冲周期中的航天器速度矢量；步骤B13，将光子按照预测脉冲周期进行叠加，获得脉冲TOA，得到测距信息；步骤B2，当脉冲信号累积完毕，获得测距信息时，选择测距模型；步骤B3，导航滤波器利用测距模型，根据接收到的脉冲TOA、金星方位和多普勒速度进行处理，得到状态矢量，获取导航所需的位置和速度矢量；当前脉冲观测周期结束后，返回步骤B1，继续下一脉冲观测周期的导航。