一種基于多源信息融合的火星最終接近段自主導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種火星最終接近段自主導(dǎo)航方法，屬于深空探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 為探尋火星上存在的生命痕跡，了解其地質(zhì)成分及演化過(guò)程，新一代的火星探測(cè) 任務(wù)需要探測(cè)器具備定點(diǎn)著陸的能力（著陸精度<l〇〇m)，W安全到達(dá)具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值的 特定區(qū)域?；鹦亲罱K接近段的導(dǎo)航性能直接決定了探測(cè)器在大氣進(jìn)入點(diǎn)處的狀態(tài)估計(jì)精 度，對(duì)進(jìn)入段導(dǎo)航與制導(dǎo)效果，W及著陸器最終著陸精度，都會(huì)產(chǎn)生重要影響。
[0003] 在過(guò)去已實(shí)施的火星探測(cè)任務(wù)中，探測(cè)器在最終接近段大多采用基于地面深空網(wǎng) 絡(luò)的無(wú)線電跟蹤測(cè)量。由于地火距離遙遠(yuǎn)，地面測(cè)控信號(hào)的強(qiáng)度隨距離的增加逐漸衰減，導(dǎo) 航誤差也隨之增大。且探測(cè)器與測(cè)控站之間存在較大的通信延時(shí)，地面缺乏對(duì)探測(cè)器實(shí)時(shí) 導(dǎo)航與控制的能力，無(wú)法及時(shí)處理復(fù)雜深空環(huán)境中的突發(fā)事件。因此，需要構(gòu)建火星最終接 近段自主導(dǎo)航方案W提高最終著陸精度。
[0004] 有學(xué)者提出增加光學(xué)導(dǎo)航輔助地面測(cè)量，但在接近段末端，由于成像面積過(guò)大而 難W提取火星的中屯、點(diǎn)坐標(biāo)，導(dǎo)致光學(xué)導(dǎo)航無(wú)法進(jìn)行。另有學(xué)者提出利用探測(cè)器與裝配有 無(wú)線電收發(fā)裝置的軌道器進(jìn)行通信，獲取測(cè)距及多普勒測(cè)速信息，輔助地面定軌。但現(xiàn)階段 軌道器數(shù)量有限，由于火星遮擋，探測(cè)器受可見(jiàn)弧段約束，測(cè)量信息無(wú)法實(shí)時(shí)獲得。且W上 導(dǎo)航方案都主要依賴于地面測(cè)控，仍然難W保證探測(cè)器最終接近段的實(shí)時(shí)自主導(dǎo)航。
[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提出一種基于多源信息融合的自主導(dǎo)航方案， W期為未來(lái)火星探測(cè)任務(wù)最終接近段自主導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提高火星最終接近段自主導(dǎo)航的精度與實(shí)時(shí)性，并可 提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性及容錯(cuò)性。本發(fā)明公開(kāi)的一種基于多源信息融合的火星最終接近段 自主導(dǎo)航方法，針對(duì)火星最終接近段自主導(dǎo)航問(wèn)題，結(jié)合光學(xué)導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航W及X射線 脈沖星導(dǎo)航的適用范圍和測(cè)量特性，提出一種基于多源信息融合的火星最終接近段自主導(dǎo) 航方案，提高火星最終接近段自主導(dǎo)航的精度與實(shí)時(shí)性。
[0007] 本發(fā)明是通過(guò)W下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[000引本發(fā)明公開(kāi)的一種基于多源信息融合的火星最終接近段自主導(dǎo)航方法，基于火星 最終接近段動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合了光學(xué)測(cè)量、基于火星軌道器的無(wú)線電測(cè)量W及X射線脈沖 星測(cè)量信息，基于聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)，在其適用范圍內(nèi)有效融合，互為備份，充分發(fā)揮各種導(dǎo)航 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，W無(wú)線電徑向測(cè)量信息彌補(bǔ)光學(xué)導(dǎo)航沿光軸方向估計(jì)信息不足的缺陷，并引 入脈沖星測(cè)量覆蓋接近段全過(guò)程。在建立火星最終接近段狀態(tài)模型和火星最終接近段自主 導(dǎo)航測(cè)量模型基礎(chǔ)上，利用聯(lián)邦結(jié)構(gòu)的組合導(dǎo)航濾波算法解算探測(cè)器實(shí)時(shí)導(dǎo)航狀態(tài)信息， 實(shí)現(xiàn)火星最終接近段實(shí)時(shí)自主導(dǎo)航。
[0009] 本發(fā)明公開(kāi)的一種基于多源信息融合的火星最終接近段自主導(dǎo)航方法，具體實(shí)施 步驟如下：
[0010] 步驟1 ;建立火星最終接近段狀態(tài)模型。
[0011] 在日屯、慣性坐標(biāo)系下建立探測(cè)器狀態(tài)模型。探測(cè)器的狀態(tài)矢量為位置矢量r,= 打1^，^嘴速度矢量^^=[乂,，乂,，乂,]\考慮太陽(yáng)引力、火星引力化及其他攝動(dòng)力，火星最 終接近段探測(cè)器的狀態(tài)模型建立為：
[0012]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于多源信息融合的火星最終接近段自主導(dǎo)航方法，其特征在于：基于火星最 終接近段動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合了光學(xué)測(cè)量、基于火星軌道器的無(wú)線電測(cè)量以及X射線脈沖星 測(cè)量信息，基于聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)，在其適用范圍內(nèi)有效融合，互為備份，充分發(fā)揮各種導(dǎo)航系 統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，以無(wú)線電徑向測(cè)量信息彌補(bǔ)光學(xué)導(dǎo)航沿光軸方向估計(jì)信息不足的缺陷，并引入 脈沖星測(cè)量覆蓋接近段全過(guò)程；在建立火星最終接近段狀態(tài)模型和火星最終接近段自主導(dǎo) 航測(cè)量模型基礎(chǔ)上，利用聯(lián)邦結(jié)構(gòu)的組合導(dǎo)航濾波算法解算探測(cè)器實(shí)時(shí)導(dǎo)航狀態(tài)信息，實(shí) 現(xiàn)火星最終接近段實(shí)時(shí)自主導(dǎo)航。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于多源信息融合的火星最終接近段自主導(dǎo)航方法，其特 征在于：具體實(shí)現(xiàn)步驟如下， 步驟1 :建立火星最終接近段狀態(tài)模型； 在日心慣性坐標(biāo)系下建立探測(cè)器狀態(tài)模型；探測(cè)器的狀態(tài)矢量為位置矢量^ = [rx,ry,rz]T和速度矢量vs=[vx,vy,vz]T;考慮太陽(yáng)引力、火星引力以及其他攝動(dòng)力，火星最 終接近段探測(cè)器的狀態(tài)模型建立為：
其中&和yM分別為太陽(yáng)和火星的引力常數(shù)，rM為火星的位置矢量，a為其他未建模 攝動(dòng)力矢量；此外rMs為探測(cè)器相對(duì)于火星的位置矢量，滿足： rMs=rs-rM (2) 進(jìn)而火星最終接近段探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)模型可描述為土 = /(4，其中x= ; 步驟2 :建立火星最終接近段自主導(dǎo)航測(cè)量模型；火星最終接近段自主導(dǎo)航測(cè)量模型 包括光學(xué)導(dǎo)航測(cè)量模型，無(wú)線電導(dǎo)航測(cè)量模型和X射線脈沖星導(dǎo)航測(cè)量模型； 利用安裝在探測(cè)器上的導(dǎo)航相機(jī)對(duì)火星進(jìn)行拍攝；通過(guò)調(diào)整探測(cè)器姿態(tài)，使光學(xué)敏感 器的光軸始終指向火星，并對(duì)拍攝到的火星圖像進(jìn)行處理，提取出火星光心在平面上的中 心點(diǎn)坐標(biāo)； 在日心慣性系中，拍攝時(shí)刻火星中心火相對(duì)探測(cè)器的方向矢量為：
其中，rMy，rMz]T為火星的位置矢量； 由日心慣性系轉(zhuǎn)換到相機(jī)本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為L(zhǎng)，通過(guò)姿態(tài)確定系統(tǒng)獲得；火星 中心相對(duì)探測(cè)器的方向矢量在相機(jī)本體系中可表示為：
將該方向矢量向相機(jī)像平面投影，不考慮相機(jī)電磁畸變和光學(xué)畸變，得到火星中心像 素坐標(biāo)為：
其中，f為導(dǎo)航相機(jī)的焦距，Kx,Ky為像素轉(zhuǎn)換系數(shù)； 光學(xué)導(dǎo)航測(cè)量模型為：
式中，e,為測(cè)量誤差，認(rèn)為服從高斯分布；在火星最終接近段采用光學(xué)測(cè)量信息，自主 性好，可實(shí)施性強(qiáng)； 同時(shí)，通過(guò)探測(cè)器與裝備有無(wú)線電收發(fā)裝置的位置確定的火星軌道器的無(wú)線電測(cè)量及