專利名稱：一種基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標的環(huán)繞段導航方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標的環(huán)繞段導航方法，屬于深空探測自主導航領域。
背景技術：
深空天體環(huán)繞探測是對目標天體長期、抵近和全面觀測的重要手段。受到攜帶推進劑總量的限制，深空天體探測器經(jīng)過行星際飛行抵達目標天體后，并不能直接制動和進入環(huán)繞目標天體的圓形軌道，而是運行在大橢圓軌道上。由于大橢圓軌道受天體攝動的影響較為復雜，因此探測器的軌道確定(導航)成為深空環(huán)繞探測的一項重要技術。目前為止，國外深空大天體環(huán)繞探測器的軌道確定還主要依靠地面測控網(wǎng)或深空網(wǎng)進行。這種方法的成本和代價很大，對測控站的全球布局、測量精度等提出了很高的要求，實時性也不易保證。而自主導航則是彌補這些缺陷的一種良好的技術手段。但是深空探測的自主導航目前還只在轉移段或者著陸段進行了驗證。但在方法層面上，國內(nèi)外研究人員還是對深空環(huán)繞段的自主導航技術進行了大量的研究。包括依靠目標天體視半徑和視線方向測量的方法，以及以天體表面特征地形為路標的方法等。但這些方法都存在各種缺陷，難以工程應用。例如，基于目標天體視半徑和視線方向測量的方法依賴于大視場的光學敏感器，它只能應用在軌道高度較高的圓形環(huán)繞軌道上，而且容易受到目標天體光照條件的影響。而基于天體表面路標點的方法適用于距離目標天體很近的環(huán)繞軌道弧段，但它依賴于大量、詳細的目標天體局部地形數(shù)據(jù)或影像資料。而這恰恰是深空目標抵近探測前所缺乏的。除此以外，由于目標天體相對太陽運動，再加上探測器飛行軌道的限制和目標天體天氣條件的影響，可供選擇的天體表面路標點會進一步減少，這大大增加了該方法實現(xiàn)的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，針對深空環(huán)繞探測器往往運行于大橢圓軌道的特點，提供了一種將目標天體的天然衛(wèi)星和它表面的特征地形作為路標配合使用的新方法。在軌道高度較高時以天然衛(wèi)星和目標天體表面大型和明顯的地貌作為路標，在軌道高度較低時以天體局部地形作為路標。擴大了路標的選擇范圍，提高了信息量，增加了可觀測弧段，提高了自主導航的適應能力和精度。本發(fā)明所采用的技術方案為一種基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標的深空探測環(huán)繞段自主導航方法，探測器運行于環(huán)繞目標深空天體的大橢圓軌道，探測器上裝備有IMU(包含陀螺和加速度計)、星敏感器和光學導航相機。實現(xiàn)步驟如下(I)陀螺和星敏的慣性姿態(tài)估計利用前一個采樣周期內(nèi)陀螺測量的角速度對當前時刻的探測器慣性姿態(tài)進行外推；然后利用星敏獲得的光軸慣性指向測量，使用卡爾曼濾波對陀螺外推慣性姿態(tài)的誤差進行估計；最后用誤差的估計值修正陀螺預估的慣性姿態(tài)，獲得最終的慣性姿態(tài)估計；
(2)利用加速度計測量的位置、速度外推在陀螺測量的同時，使用加速度計獲得探測器非引力加速度的測量值，利用已獲得的慣性姿態(tài)估計值將它轉化到慣性坐標系中；然后根據(jù)軌道動力學模型，對探測器的位置和速度進行外推； (3)路標點信息的獲取使用探測器上安裝的光學導航相機按照一定拍攝序列對可能的路標點進行拍照，路標點的選擇包含了天體表面的已知位置的特征地貌和天體的天然衛(wèi)星；路標點根據(jù)軌道高度、光照條件事先選擇，并列入觀測序列，一般來說軌道較高時選擇天然衛(wèi)星和目標天體大型特征地貌，軌道較低時選擇天體局部地形；最后，從導航圖像上提取出路標點的像素坐標，傳遞給導航濾波器；(4)基于路標的探測器位置、速度的估計基于步驟(2)中外推的探測器位置、速度對路標點的圖像坐標進行預報；將實際獲得的路標點像素坐標與預報值進行比對，構成測量新息；然后使用擴展卡爾曼濾波對預測的探測器位置、速度進行修正，得到最終的探測器位置、速度估計值。(5)對每一個控制周期重復(I) (4)的步驟，完成導航解算。所述方法同時將天體表面特征和天然衛(wèi)星均作為導航路標，在軌道高度高于天然衛(wèi)星軌道時以天然衛(wèi)星和天體表面大型地貌為路標，在軌道低于天然衛(wèi)星軌道時以天體局部地形為路標，導航濾波解算過程中路標點的數(shù)量可變。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明將深空天體的天然衛(wèi)星也擴展為自主導航的路標點，從而增加了可供選擇的路標點的種類，降低了對目標天體表面局部特征地形先驗知識的需求，減少了地面選擇和確定路標點的困難。而且針對深空環(huán)繞段大橢圓軌道上探測器距目標天體高度變化很大的特點，在環(huán)繞軌道的近點附近主要使用天體特征地形為路標，在環(huán)繞段的遠點附近將天然衛(wèi)星與天體表面明顯的地貌結合使用，提高了導航方法對深空大橢圓環(huán)繞軌道的適應能力。


圖1是深空環(huán)繞段基于路標的自主導航系統(tǒng)框圖；圖2是以火星為代表的深空環(huán)繞段以天體表面特征和天然衛(wèi)星作為路標的導航方法原理；圖3是深空環(huán)繞段不同時間點所選擇的路標類型；圖4是深空環(huán)繞段導航位置誤差變化曲線；圖5是深空環(huán)繞段導航速度誤差變化曲線。
具體實施例方式探測器運行于環(huán)繞目標深空天體的大橢圓軌道，探測器上裝備有MU(包含陀螺和加速度計)、星敏感器和光學導航相機。如圖1所示，本發(fā)明具體計算過程如下第一步，進行陀螺+星敏的探測器姿態(tài)估計(I)陀螺測量
設當前時刻為tk，上一次采樣時刻為V1，那么陀螺可以獲得在[tk+tj時間段內(nèi)的探測器角度增量Agb,上標b表示探測器的本體坐標系(Ob-XbYbZb),該坐標系固聯(lián)在探測器上，原點與探測器質心重合，三個軸平行于探測器慣量主軸。角度增量除以采樣時間間隔就可以獲得該段時間內(nèi)的探測器平均角速度的測量值。
權利要求
1.一種基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標的環(huán)繞段導航方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下 (1)陀螺和星敏感器的慣性姿態(tài)估計 利用前一個采樣周期內(nèi)陀螺測量的角速度對當前時刻的探測器慣性姿態(tài)進行外推；然后利用星敏感器獲得的光軸慣性指向測量，使用卡爾曼濾波對陀螺外推慣性姿態(tài)的誤差進行估計；最后用誤差的估計值修正陀螺預估的慣性姿態(tài)，獲得最終的慣性姿態(tài)估計； (2)利用加速度計測量的位置、速度外推 在陀螺測量的同時，使用加速度計獲得探測器非引力加速度的測量值，利用已獲得的慣性姿態(tài)估計值將它轉化到慣性坐標系中；然后根據(jù)軌道動力學模型，對探測器的位置和速度進行外推； (3)路標點信息的獲取 使用探測器上安裝的光學導航相機按照一定拍攝序列對可能的路標點進行拍照，路標點的選擇包含了天體表面的已知位置的特征地貌和天體的天然衛(wèi)星；路標點根據(jù)軌道高度、光照條件事先選擇，并列入觀測序列；最后，從導航圖像上提取出路標點的像素坐標，傳遞給導航濾波器； (4)基于路標的探測器位置、速度的估計 基于步驟(2)中外推的探測器位置、速度對路標點的圖像坐標進行預報；將實際獲得的路標點像素坐標與預報值進行比對，構成測量新息；然后使用擴展卡爾曼濾波對預測的探測器位置、速度進行修正，得到最終的探測器位置、速度估計值； (5)對每一個控制周期重復(I) (4)的步驟，完成導航解算。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標的環(huán)繞段導航方法，其特征在于所述方法同時將天體表面特征和天然衛(wèi)星均作為導航路標，在軌道高度高于天然衛(wèi)星軌道時以天然衛(wèi)星和天體表面大型地貌為路標，在軌道低于天然衛(wèi)星軌道時以天體局部地形為路標，導航濾波解算過程中路標點的數(shù)量可變。
全文摘要
一種基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標的環(huán)繞段導航方法，在進行導航過程中，首先由陀螺和星敏感器進行慣性姿態(tài)估計；根據(jù)加速度計測量，結合慣性姿態(tài)估計值，利用動力學方程進行探測器位置、速度外推；接下來，以一定間隔，利用導航相機按照序列對若干路標進行拍攝，識別出路標點的圖像坐標，路標點的可選范圍包括深空天體表面的已知地貌和天體的天然衛(wèi)星，觀測序列根據(jù)不同軌道高度和光照條件制定；以路標點的圖像坐標作為測量，以外推的探測器位置、速度為基礎，使用擴展卡爾曼濾波估計并修正探測器位置、速度；重復上述步驟，完成導航解算。本發(fā)明擴大了環(huán)繞段光學導航路標點選擇的范圍，提高了導航系統(tǒng)的靈活性和精度。
文檔編號G01C21/24GK103017773SQ20121051645
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日2012年11月30日
發(fā)明者李驥, 王大軼, 黃翔宇, 李茂登, 褚永輝 申請人:北京控制工程研究所