一種環(huán)火探測(cè)器精密同步定位守時(shí)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及火星探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種環(huán)火探測(cè)器精密同步定位守時(shí)方法 及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于執(zhí)行火星探索任務(wù)的火星軌道探測(cè)器而言，實(shí)時(shí)、高精度地獲取探測(cè)器的位 置、速度和姿態(tài)等相關(guān)信息，不僅是對(duì)探測(cè)器進(jìn)行精密導(dǎo)航控制的基礎(chǔ)，也是確保各種預(yù)定 科學(xué)實(shí)驗(yàn)和探測(cè)任務(wù)順利實(shí)施的決定性因素之一。
[0003] 火星和地球之間的遙遠(yuǎn)距離和探測(cè)器所面臨的復(fù)雜太空環(huán)境對(duì)基于地面測(cè)控通 訊站的傳統(tǒng)導(dǎo)航方法而言是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，航天器的自主導(dǎo)航將是突破該瓶頸的關(guān)鍵技術(shù) 之一。X射線脈沖星導(dǎo)航是一種新型自主導(dǎo)航方法，在火星探測(cè)器自主導(dǎo)航方面極具應(yīng)用潛 力。
[0004] 在利用X射線脈沖星觀測(cè)量對(duì)環(huán)火探測(cè)器進(jìn)行定位時(shí)涉及到環(huán)火探測(cè)器的動(dòng)力 學(xué)模型和脈沖星觀測(cè)模型，由環(huán)火探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)數(shù)值積分可以外推但僅能獲得 探測(cè)器的近似軌道信息，此外，由于技術(shù)條件限制，探測(cè)器的初始軌道狀態(tài)也存在誤差。
[0005] X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)中光子到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間是由星載原子鐘測(cè)量得到的，因 此星載原子鐘的精度及其穩(wěn)定性直接關(guān)系到導(dǎo)航精度的高低。而由于火星探測(cè)器飛行時(shí) 間長(zhǎng)，探測(cè)器上搭載的原子鐘，受到各種因素的限制，若不定期校正將難以長(zhǎng)期保持較高精 度，這樣就回對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度造成損害。
[0006] 目前已有的X射線脈沖星導(dǎo)航是一種新型自主導(dǎo)航方法，具備可靠性高、自主性 強(qiáng)、精確性良好和使用范圍廣等特點(diǎn)，在深空探測(cè)器自主導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。目前國(guó)際 上許多學(xué)者和專家都在這種新型自主導(dǎo)航方法進(jìn)行研宄和驗(yàn)證，國(guó)內(nèi)外有大量的相關(guān)文獻(xiàn) 對(duì)其進(jìn)行了介紹，Suneel I S. 2005. The Use of Variable Celestial X-ray Sources for Spacecraft Navigation[D]:[Ph. D. ]. Maryland:Department of Aerospace Engineering University of Maryland. Wei Erhu，Jin Shuanggen，Zhang Qi，et al. 2013Autonomous navigation of Mars probe using X-ray pulsars:Modeling and results[J]. Advances in Space Research, 51 (2013):849 - 857. Emadzadeh A A,Robert A,Speyer J L, et al. 2011. Relative Navigation between Two Spacecraft Using X-ray Pulsars [J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology,19 (5):1021-1035. Yang Tinggao.2008. Determination of X-ray pulsar pulse time of arrival at spacecraft[J]. Chin. J. Space Sci. , 28 (4) : 330-334. Chester T J, Butman S A. 1981. Navigation Using X-ray Pulsars[R]. NASATechnical Reports N81-27129, 21-25.
[0007] 利用X射線脈沖星觀測(cè)量進(jìn)行探測(cè)器自主定位的原理如圖1所示。在基準(zhǔn)點(diǎn)（太 陽(yáng)系質(zhì)心SSB)坐標(biāo)系中，空間飛行器Probe上的X射線探測(cè)設(shè)備接收脈沖信號(hào)，進(jìn)而獲得 信號(hào)到達(dá)時(shí)間觀測(cè)量，然后將其與基準(zhǔn)點(diǎn)處的時(shí)間相位模型的計(jì)算值較差，差值t反映了 同一脈沖信號(hào)到達(dá)航天器和基準(zhǔn)點(diǎn)處的時(shí)間延遲，t與光速c的乘積為T。該差分觀 測(cè)量可以表示為航天器位置矢量r的函數(shù)，在已知導(dǎo)航脈沖星方向矢量n的前提下，結(jié)合航 天器的軌道動(dòng)力學(xué)方程即可濾波估算出航天器在基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)系中的位置向量。
[0008] 通常情況下脈沖星時(shí)間相位模型通常建立在太陽(yáng)系質(zhì)心SSB處，在J2000. 0太陽(yáng) 系質(zhì)心坐標(biāo)系中：
[0009] 某一觀測(cè)歷元，脈沖星i的輻射信號(hào)至航天器SC和火星質(zhì)心M的直接距離觀測(cè)量 P SCi、P Mi 為：
[0010] P sci - N r sc_Di | |+dRel，SCi (1_1)
[0011] P ii - Ir M_Di I I +dEei；Mi (1 _2)
[0012] 式中，rM和r sc分別表示火星質(zhì)心和探測(cè)器的位置矢量；D廣示觀測(cè)脈沖星的位置 矢量；'^和分別表示相應(yīng)的脈沖信號(hào)延遲觀測(cè)誤差。
[0013] 式（1-2)減去（1-1)得到單差觀測(cè)量S Pi= p Mi-pseJP "單差測(cè)量方程"為：
[0014] 5 Pi - (| | rm-Dj| |-| | rsc-Dj | I) + (dEel；Mi_dEel；SCi) (1 _3)
[0015] 因?yàn)槊}沖星距離參考點(diǎn)的距離01的量級(jí)遠(yuǎn)大于航天器參考點(diǎn)的距離，因此對(duì)式 (1-3)進(jìn)行展開(kāi)，并忽略無(wú)窮小量
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種環(huán)火探測(cè)器精密同步定位守時(shí)方法，其特征在于：包括w下步驟， 步驟1，輸入初始數(shù)據(jù)，包括模擬的標(biāo)稱軌道和用于濾波初始化的相關(guān)參數(shù)； 步驟2,進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)模擬，根據(jù)脈沖星測(cè)量方程模擬脈沖星觀測(cè)量，該觀測(cè)量設(shè)及的 測(cè)量噪聲包括鐘差，其中鐘差由鐘差模型模擬， 設(shè)導(dǎo)航脈沖星組合中包括P顆脈沖星，環(huán)火探測(cè)器的位置矢量r= [X yz]T、速度矢量V=[VxVyVz]T，加速度矢量a= [a,az]T， 所述脈沖星測(cè)量方程如下式，
其中，Ati表示第i顆脈沖星時(shí)延觀測(cè)量，i的取值為1，2,…，P，P顆脈沖星觀測(cè)量組成 觀測(cè)向量Z，n為測(cè)量噪聲，H為觀測(cè)方程系數(shù)矩陣，狀態(tài)參數(shù)X=[XyZV,VyVzX1X2X3]T. 所述鐘差模型如下式，
其中，e為采樣間隔，Xi(tk)、X2(tk)和X3(tk)分別表示時(shí)刻tk原子鐘的鐘差、頻率漂 移和頻率漂移變化率，組成了鐘差參數(shù)[XiX2X3] ;W(tk)為時(shí)刻tk相應(yīng)的系統(tǒng)噪聲，Xi(tw) 表示時(shí)刻tw原子鐘的鐘差； 步驟3,根據(jù)環(huán)火探測(cè)器自主定位和守時(shí)的濾波狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，進(jìn)行自適應(yīng)卡爾 曼濾波， 所述觀測(cè)方程采用脈沖星測(cè)量方程， 設(shè)時(shí)刻t的狀態(tài)參數(shù)X記為X(t)，X(t)的一階導(dǎo)數(shù)為(0，所述濾波狀態(tài)方程如下， X村=F(0，-Y(/) +W(0 其中，W(t)為系統(tǒng)狀態(tài)噪聲矩陣， 狀態(tài)方程系數(shù)矩陣F(t)為， 步驟4,輸出步驟3所得濾波結(jié)果，包括濾波所得探測(cè)器的軌道和鐘差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述環(huán)火探測(cè)器精密同步定位守時(shí)方法，其特征在于：步驟3進(jìn)行 自適應(yīng)卡爾曼濾波的方式如下， 1)濾波的相關(guān)參數(shù)初始化，包括計(jì)算初始時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)Xk及其方差矩陣Pk，狀態(tài)誤 差 5Xk; 。進(jìn)行一步預(yù)測(cè)值xw,k和修正值5xw,k計(jì)算如下， Xk+l，k=巫k+l，k?而 5Xw，k= 0 其中，?k+i，k為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣； 3) 進(jìn)行自適應(yīng)因子Aw的計(jì)算如下，
式中，Hw表示觀測(cè)方程系數(shù)矩陣；符號(hào)MW和NW用于計(jì)算自適應(yīng)因子；ZW為觀測(cè)值 向量；預(yù)測(cè)殘差為5Zw;RW為觀測(cè)值誤差方差矩陣；SP(.)為求矩陣跡符號(hào)； 4) 進(jìn)行一步預(yù)測(cè)估計(jì)誤差方差陣PkAk的計(jì)算如下， PkM'k二乂k巧kA'kPk巫k-、l'k牛Qk 式中，Qk為系統(tǒng)狀態(tài)噪聲方差矩陣； 5) 進(jìn)行濾波增益Kw的計(jì)算如下， ^k+l ~ Pk+\,k^k+l Hk+l+^k+l _ 6) 進(jìn)行測(cè)量更新如下， 6 xw = 6 X葉k+Kw [Zk+i_HwX葉k]
式中，Pw為濾波狀態(tài)值Xw的方差矩陣，I表示相應(yīng)階數(shù)的單位矩陣； 7)進(jìn)行濾波結(jié)果Xw輸出如下， Xk+1= Xk+i，k+Sxw。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述環(huán)火探測(cè)器精密同步定位守時(shí)方法，其特征在于：所述一步預(yù) 測(cè)值xw,k由軌道積分器按濾波狀態(tài)方程進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述環(huán)火探測(cè)器精密同步定位守時(shí)方法，其特征在于：預(yù) 先根據(jù)脈沖星的可見(jiàn)性和優(yōu)選指標(biāo)值選擇導(dǎo)航脈沖星組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述環(huán)火探測(cè)器精密同步定位守時(shí)方法，其特征在于：模 擬的標(biāo)稱軌道根據(jù)STK仿真得到。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述環(huán)火探測(cè)器精密同步定位守時(shí)方法，其特征在于：將 步驟3濾波所得探測(cè)器的軌道與模擬的標(biāo)稱軌道較差，將步驟3濾波所得鐘差與步驟2模 擬所得鐘差較差，得到精度評(píng)定結(jié)果。
7. -種環(huán)火探測(cè)器精密同步定位守時(shí)系統(tǒng)，其特征在于：包括W下模塊， 輸入模塊，用于輸入初始數(shù)據(jù)，包括模擬的標(biāo)稱軌道和用于濾波初始化的相關(guān)參數(shù)； 觀測(cè)數(shù)據(jù)模擬模塊，用于進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)模擬，根據(jù)脈沖星測(cè)量方程模擬脈沖星觀測(cè)量， 該觀測(cè)量設(shè)及的測(cè)量噪聲包括鐘差，其中鐘差由鐘差模型模擬， 設(shè)導(dǎo)航脈沖星組合中包括P顆脈沖星，環(huán)火探測(cè)器的位置矢量r= [X yz]T、速度矢量V=[VxVyVz]T，加速度矢量a= [a,az]T， 所述脈沖星測(cè)量方程如下式，
其中，Ati表示第i顆脈沖星時(shí)延觀測(cè)量，i的取值為1，2,…，P，P顆脈沖星觀測(cè)量組 成觀測(cè)向量Z，n為測(cè)量噪聲，H為觀測(cè)方程系數(shù)矩陣，狀態(tài)參數(shù)X=[XyZVyVyV,XiX2 X3]T; 所述鐘差模型如下式，
其中，e為采樣間隔，Xi(tk)、X2(tk)和X3(tk)分別表示時(shí)刻tk原子鐘的鐘差、頻率漂 移和頻率漂移變化率，組成了鐘差參數(shù)[XiX2X3] ;W(tk)為時(shí)刻tk相應(yīng)的系統(tǒng)噪聲，Xi(tw) 表示時(shí)刻tw原子鐘的鐘差； 自適應(yīng)濾波模塊，用于根據(jù)環(huán)火探測(cè)器自主定位和守時(shí)的濾波狀態(tài)方程和觀測(cè)方程， 進(jìn)行自適應(yīng)卡爾曼濾波， 所述觀測(cè)方程采用脈沖星測(cè)量方程， 設(shè)時(shí)刻t的狀態(tài)參數(shù)X記為x(t)，x(t)的一階導(dǎo)數(shù)為^(0，所述濾波狀態(tài)方程如下，乂W二戶(0，x(0+w(〇 其中，W(t)為系統(tǒng)狀態(tài)噪聲矩陣， 狀態(tài)方程系數(shù)矩陣F(t)呆
輸出模塊，用于輸出自適應(yīng)濾波模塊所得濾波結(jié)果，包括濾波所得探測(cè)器的軌道和鐘 差。
【專利摘要】一種環(huán)火探測(cè)器精密同步定位守時(shí)方法及系統(tǒng)，首先輸入初始數(shù)據(jù)，包括模擬的標(biāo)稱軌道和用于濾波初始化的相關(guān)參數(shù)；進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)模擬，根據(jù)脈沖星測(cè)量方程模擬脈沖星觀測(cè)量，該觀測(cè)量涉及的測(cè)量噪聲包括鐘差，其中鐘差由鐘差模型模擬；根據(jù)環(huán)火探測(cè)器自主定位和守時(shí)的濾波狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，進(jìn)行自適應(yīng)卡爾曼濾波，得到探測(cè)器的軌道和鐘差。本發(fā)明在建立X射線脈沖星觀測(cè)模型基礎(chǔ)上，將觀測(cè)模型、探測(cè)器動(dòng)力學(xué)模型和星載原子鐘的鐘差模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，同時(shí)估算了探測(cè)器的位置、速度和鐘差參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)鐘差校正的同時(shí)也削弱了鐘差對(duì)定位精度的影響，提高了自主定位精度。
【IPC分類】G01C21-20
【公開(kāi)號(hào)】CN104848862
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510306661
【發(fā)明人】魏二虎, 張帥, 劉經(jīng)南, 劉建棟, 李雪川, 李智強(qiáng)
【申請(qǐng)人】武漢大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年6月5日