技術(shù)特征：

1.一種基于模型攝動(dòng)的火星大氣進(jìn)入自適應(yīng)估計(jì)方法，其特征在于：包括如下步驟，

步驟一、建立基于火星慣性系的動(dòng)力學(xué)模型；

為了簡化模型，假設(shè)進(jìn)入過程中探測器在配平功角條件下飛行，側(cè)滑角為零，且控制量傾側(cè)角為零；進(jìn)入段基于火星慣性系的動(dòng)力學(xué)模型建立如公式(1)

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{r}\\ \stackrel{\·}{v}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}v\\ -D\frac{v}{\left|\right|v\left|\right|}-L\frac{v}{\left|\right|v\left|\right|}\×\frac{v\×r}{\left|\right|v\×r\left|\right|}-g\frac{r}{\left|\right|r\left|\right|}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中

$D=\frac{0.5\mathrm{\ρ}\left|\right|v|{|}^2}{B}---\left(2\right)$

$L=\frac{L/D\·0.5\mathrm{\ρ}\left|\right|v|{|}^2}{B}---\left(3\right)$

公式(2)、(3)中，L/D表示探測器升阻比，B＝m/C_DS表示彈道系數(shù)，C_D表示探測器的阻力系數(shù)，S表示探測器參考面積，m表示探測器質(zhì)量；探測器升阻比L/D、彈道系數(shù)B，阻力系數(shù)C_D，參考面積S以及質(zhì)量m的標(biāo)稱值都視為已知；ρ為火星大氣密度，假設(shè)火星大氣密度ρ呈指數(shù)形式分布形式且滿足公式(4)，

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0{e}^{\frac{(r_0-r)}{h_s}}---\left(4\right)$

其中，ρ₀＝2e-4kg/m³表示火星大氣參考密度，r₀＝3,437,200m表示參考高度，h_s＝7500m火星大氣標(biāo)高；

步驟二、建立進(jìn)入段攝動(dòng)模型；

由進(jìn)入段動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可知，火星大氣密度ρ及探測器氣動(dòng)力系數(shù)與動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中氣動(dòng)力模型緊密相關(guān)；而在組合導(dǎo)航方法狀態(tài)估計(jì)中，不確定參數(shù)引起的攝動(dòng)會(huì)隨著動(dòng)力學(xué)方程遞推傳播到下一時(shí)刻的預(yù)估狀態(tài)及誤差協(xié)方差中，從而導(dǎo)致量測更新增益出現(xiàn)偏差，不能得到最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)；而在火星大氣進(jìn)入段，大氣密度ρ及彈道系數(shù)B隨時(shí)間存在較大的不確定性，由公式(2)、(3)知，火星大氣密度ρ及彈道系數(shù)B耦合在氣動(dòng)力模型中，為了處理不確定參數(shù)引起的模型攝動(dòng)對導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)的影響，把大氣密度ρ和彈道系數(shù)B對動(dòng)力學(xué)的攝動(dòng)歸結(jié)于參數(shù)τ定義如下，

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\ρ}}{B}---\left(5\right)$

大氣密度ρ和彈道系統(tǒng)不確定性對參數(shù)τ的影響可由式(6)表示，

${\mathrm{\τ}}^{*}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{*}}{B^{*}}=\frac{\mathrm{\ρ}}{B}\·\frac{(1+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ρ}})}{(1+{\mathrm{\Δ}}_B)}=\mathrm{\τ}(1+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\τ}})---\left(6\right)$

公式(6)中，右上角帶*的變量表示機(jī)載模型參數(shù)，為定值；Δ表示機(jī)載模型與真實(shí)模型的偏差，在實(shí)際飛行過程中是未知時(shí)變的，但變化范圍假設(shè)為已知的；因此，大氣密度ρ及彈道系數(shù)B不確定性對動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的攝動(dòng)在氣動(dòng)力模型中的體現(xiàn)公式(7)和公式(8)；

$D*=\frac{0.5\mathrm{\ρ}*\left|\right|v|{|}^2}{B*}=\frac{0.5\mathrm{\ρ}(1+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ρ}})\left|\right|v|{|}^2}{B(1+{\mathrm{\Δ}}_B)}=(1+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\τ}})D---\left(7\right)$

$L*=\frac{L/D\·0.5\mathrm{\ρ}*\left|\right|v|{|}^2}{B*}=L/D\frac{0.5\mathrm{\ρ}(1+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ρ}})\left|\right|v|{|}^2}{B(1+{\mathrm{\Δ}}_B)}=(1+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\τ}})L---\left(8\right)$

由公式(7)和公式(8)可知，把不確定參數(shù)大氣密度ρ及彈道系數(shù)B引起的攝動(dòng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中氣動(dòng)力的模型偏差，能夠減少動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中不確定項(xiàng)的個(gè)數(shù)，且氣動(dòng)力偏差的變化規(guī)律與不確定參數(shù)變化規(guī)律相同；

步驟三、利用自適應(yīng)估計(jì)方法抑制不確定參數(shù)對動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的擾動(dòng)，提高位置和速度估計(jì)精度；

根據(jù)步驟二中建立的模型攝動(dòng)的有界性及其變化規(guī)律，建立針對動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中攝動(dòng)量Δ_τ的濾波模型，所述的攝動(dòng)量Δ_τ變化范圍固定且有界，每個(gè)濾波模型動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中攝動(dòng)量Δ_τ對應(yīng)于有界范圍內(nèi)的一個(gè)偏差值，根據(jù)每個(gè)濾波模型預(yù)測測量殘差，并基于測量殘差信息自適應(yīng)更新各模型的權(quán)值，最大權(quán)值對應(yīng)的濾波模型表示該模型中攝動(dòng)值最接近真實(shí)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的攝動(dòng)值；并對火星大氣進(jìn)入段測量信息進(jìn)行無量綱化處理，無量綱化處理后的自適應(yīng)估計(jì)方法各模型權(quán)值的求取方法如公式(9)所示，

$\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{g}}_k^i=\frac{e^{{\stackrel{\‾}{u}}_i}}{\underset{j=1}{\overset{L}{\Σ}}{e}^{{\stackrel{\‾}{u}}_j}},& {\stackrel{\‾}{u}}_i={\stackrel{\‾}{\tilde{z}}}_k^T{a}_i\end{array}---\left(9\right)$

權(quán)值滿足公式(10)所述的條件，

$\underset{i=1}{\overset{L}{\Σ}}{\stackrel{\‾}{g}}_k^i=1,0\≤{\stackrel{\‾}{g}}_k^i\≤1,\∀i=1,...,L---\left(10\right)$

式中，表示k時(shí)刻的無量綱化后的測量信息，Z₀為已知常量，a_i表示第i個(gè)濾波模型測量信息對應(yīng)的輸入權(quán)重；標(biāo)量表示改進(jìn)后第i個(gè)濾波模型與當(dāng)前測量信息的匹配度；

無量綱化處理后各模型測量信息權(quán)重更新方法如公式(11)所示，

$a_i=a_i+\mathrm{\η}\frac{\∂l}{\∂a_i}=a_i+\mathrm{\η}\frac{\∂l}{\∂{\stackrel{\‾}{u}}_i}\frac{\∂{\stackrel{\‾}{u}}_i}{\∂a_i}=a_i+\mathrm{\η}(h_i-g_i){\stackrel{\‾}{\tilde{z}}}_k---\left(11\right)$

式中，η表示學(xué)習(xí)律，根據(jù)實(shí)際情況由使用者自定義，h_i為，

$h_i=\frac{p\left({\tilde{z}}_k\right|{\mathrm{\α}}_i,{\stackrel{\‾}{Z}}_{k-1})g_i}{\underset{j=1}{\overset{L}{\Σ}}p\left({\tilde{z}}_k\right|{\mathrm{\α}}_j,{\stackrel{\‾}{Z}}_{k-1})g_j}---\left(12\right)$

第i個(gè)濾波模型的后驗(yàn)概率密度函數(shù)，且有

$p\left({\tilde{z}}_k\right|{\mathrm{\α}}_i,{\stackrel{\‾}{Z}}_{k-1})=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}\left|W_k\right|}}{e}^{-\frac{1}{2}{\mathrm{\ϵ}}_{i,k}^T{W}_{i,k}^{-1}{\mathrm{\ϵ}}_{i,k}}---\left(13\right)$

式中，

${\mathrm{\ϵ}}_{i,k}={\tilde{z}}_k-h\left({\hat{x}}_{i,k|k-1}\right),W_{i,k}=H_{i,k}{P}_{i,k|k-1}{H}_{i,k}^T+R_k$

通過公式(9)求取各濾波模型權(quán)值、并通過公式(11)更新各濾波模型的權(quán)值能夠自適應(yīng)逼近真實(shí)模型攝動(dòng)，精確確定攝動(dòng)量在每個(gè)采樣時(shí)刻的攝動(dòng)值，從而抑制攝動(dòng)對位置和速度估計(jì)的影響，提高導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)的精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于模型攝動(dòng)的火星大氣進(jìn)入自適應(yīng)估計(jì)方法，其特征在于：為提高解算速度，滿足進(jìn)入段導(dǎo)航實(shí)時(shí)性要求，所述的濾波模型采用EKF對探測器的位置r和速度v進(jìn)行解算。

3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于模型攝動(dòng)的火星大氣進(jìn)入自適應(yīng)估計(jì)方法，其特征在于：能夠應(yīng)用于火星大氣進(jìn)入段動(dòng)壓測量輔助的組合導(dǎo)航方法或無線電/IMU組合導(dǎo)航方法，提高導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)的精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.一種基于模型攝動(dòng)的火星大氣進(jìn)入自適應(yīng)估計(jì)方法，其特征在于：首先通過分析火星大氣進(jìn)入段不確定參數(shù)與氣動(dòng)力模型的耦合關(guān)系，把不確定參數(shù)對動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的攝動(dòng)轉(zhuǎn)化為氣動(dòng)力模型偏差，減少動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中不確定參數(shù)項(xiàng)個(gè)數(shù)，所述的火星大氣進(jìn)入段不確定參數(shù)包括火星大氣密度與氣動(dòng)力系數(shù)；然后，根據(jù)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中氣動(dòng)力模型攝動(dòng)的變化規(guī)律，建立針對動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中攝動(dòng)量偏差的濾波模型，所述的模型攝動(dòng)量變化范圍為有界的，每個(gè)濾波模型動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中攝動(dòng)量對應(yīng)于有界范圍內(nèi)的一個(gè)偏差值，根據(jù)每個(gè)濾波模型預(yù)測測量殘差，并基于測量殘差信息自適應(yīng)更新各模型的權(quán)值，不斷迭代逼近真實(shí)模型攝動(dòng)，從而抑制氣動(dòng)力模型偏差對狀態(tài)估計(jì)精度的影響，保證進(jìn)入過程中探測器狀態(tài)估計(jì)精度及導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.如權(quán)利要求4所述的一種基于模型攝動(dòng)的火星大氣進(jìn)入自適應(yīng)估計(jì)方法，其特征在于：能夠應(yīng)用于火星大氣進(jìn)入段動(dòng)壓測量輔助的組合導(dǎo)航方法或無線電/IMU組合導(dǎo)航方法，提高導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)的精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。