一種基于多模型的火星大氣進(jìn)入容中斷估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種火星大氣進(jìn)入容中斷估計方法，屬于深空探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 火星定點著陸探測是獲取更有科學(xué)價值發(fā)現(xiàn)的重要手段，為實現(xiàn)未來火星定點著 陸探測，在大氣進(jìn)入過程中必須對探測器進(jìn)行制導(dǎo)與控制，從而保證探測器精確到達(dá)預(yù)開 傘點，而精確制導(dǎo)與控制的前提條件是導(dǎo)航系統(tǒng)能為探測器提供精確的狀態(tài)信息。因此設(shè) 計可以精確確定探測器狀態(tài)信息的導(dǎo)航方案及估計算法是定點著陸探測的前提條件。
[0003] 以往成功著陸的探測任務(wù)中，火星大氣進(jìn)入段采用基于慣性測量的航位遞推導(dǎo)航 方法。由于航位遞推方法不能對初始狀態(tài)偏差進(jìn)行修正，以及難以消除敏感器系統(tǒng)偏差對 狀態(tài)精度的影響，導(dǎo)致狀態(tài)估計偏差隨時間發(fā)散。而目前基于無線電測量的導(dǎo)航方法中，由 于無線電信號對外界環(huán)境敏感，尤其在高超聲速段無線電信號因為外界等離子體干擾會存 在中斷，難以精確估計探測器的狀態(tài)。
[0004] 針對火星大氣進(jìn)入段無線電導(dǎo)航存在測量中斷現(xiàn)象，把火星大氣進(jìn)入段無線電測 量中斷模擬成一個隨機(jī)過程，并把多個測量模型間的轉(zhuǎn)換模擬成一個馬爾科夫過程。由于 系統(tǒng)狀態(tài)方程及量測模型均呈現(xiàn)強(qiáng)非線性時變特性，傳統(tǒng)Kalman濾波算法無法對非線性 時變系統(tǒng)進(jìn)行濾波估計，故宜采用非線性濾波方法對探測器的狀態(tài)信息進(jìn)行估計。本發(fā)明 通過采用改進(jìn)的拓展Kalman(EKF)濾波方法可以提高測量中斷下探測器狀態(tài)的估計精度。 用來解決進(jìn)入段無線電測量中斷時探測器的狀態(tài)估計問題，為未來火星著陸探測中大氣進(jìn) 入段采用無線電導(dǎo)航方案設(shè)計提供技術(shù)支持和參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提高探測器在火星大氣進(jìn)入段的自主導(dǎo)航系統(tǒng)可靠性 及狀態(tài)估計精度，實現(xiàn)進(jìn)入段無線電測量中斷時探測器的狀態(tài)估計問題，本發(fā)明公開了一 種基于多模型的火星大氣進(jìn)入容中斷估計方法，有效的抑制了無線電測量中斷下探測器狀 態(tài)估計發(fā)散問題，保證了系統(tǒng)的可靠性及狀態(tài)估計精度。
[0006] 本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明公開的一種基于多模型的火星大氣進(jìn)入段容中斷估計方法，首先，基于火 星慣性坐標(biāo)系建立火星大氣進(jìn)入段動力學(xué)方程；其次，當(dāng)探測器進(jìn)入火星大氣進(jìn)入段后，當(dāng) 無線電測量未中斷時，建立無線電模型測量模型獲取探測器的狀態(tài)信息，所述的無線電模 型測量模型獲取探測器的狀態(tài)信息的方法為通過測量探測器相對信標(biāo)的距離和速度信息， 通過EKF算法對探測器的狀態(tài)信息進(jìn)行解算獲取，修正慣性單元（InertialMeasurement Unit，MU)初始誤差；當(dāng)無線電測量中斷時通過無線電中斷模型獲取探測器的狀態(tài)信息， 所述的無線電中斷模型獲取探測器的狀態(tài)信息方法為將無線電測量信號視為噪聲，通過修 正的EKF獲取探測器的狀態(tài)信息。通過無線電模型和無線電中斷模型交換算法獲得探測器 的最終狀態(tài)估計信息，有效的抑制了無線電測量中斷下探測器狀態(tài)估計發(fā)散問題，保證了 系統(tǒng)的可靠性及狀態(tài)估計精度。
[0008] 本發(fā)明公開的一種基于多模型的火星大氣進(jìn)入容中斷估計方法具體實施步驟如 下：
[0009] 步驟1 :建立火星大氣進(jìn)入段動力學(xué)方程。
[0010] 在火星慣性系下，探測器的狀態(tài)X包括位置矢量r= [X，y，z]T，速度矢量V=
[Vx，Vy，VJT。火星大氣進(jìn)入段探測器的狀態(tài)方程i= / (X)如下所示：
【主權(quán)項】
1. 一種基于多模型的火星大氣進(jìn)入容中斷估計方法，其特征在于：首先，基于火星慣 性坐標(biāo)系建立火星大氣進(jìn)入段動力學(xué)方程；其次，當(dāng)探測器進(jìn)入火星大氣進(jìn)入段后，當(dāng)無 線電測量未中斷時，建立無線電模型測量模型獲取探測器的狀態(tài)信息，所述的無線電模型 測量模型獲取探測器的狀態(tài)信息的方法為通過測量探測器相對信標(biāo)的距離和速度信息， 通過EKF算法對探測器的狀態(tài)信息進(jìn)行解算獲取，修正慣性單元（InedialMeasurement 化it,IMU)初始誤差；當(dāng)無線電測量中斷時通過無線電中斷模型獲取探測器的狀態(tài)信息， 所述的無線電中斷模型獲取探測器的狀態(tài)信息方法為將無線電測量信號視為噪聲，通過修 正的EKF獲取探測器的狀態(tài)信息；通過無線電模型和無線電中斷模型交換算法獲得探測器 的最終狀態(tài)估計信息，有效的抑制了無線電測量中斷下探測器狀態(tài)估計發(fā)散問題，保證了 系統(tǒng)的可靠性及狀態(tài)估計精度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多模型的火星大氣進(jìn)入容中斷估計方法，其特征在 于；具體實現(xiàn)步驟如下， 步驟1 ;建立火星大氣進(jìn)入段動力學(xué)方程； 在火星慣性系下，探測器的狀態(tài)X包括位置矢量r= [X，y，z]T，速度矢量V= [Vy，Vy，vj T;火星大氣進(jìn)入段探測器的狀態(tài)方程X= /(X)如下所示；
其中，a表示氣動加速度在慣性系下的表示，g表示重力加速度在慣性系下的表示，其 中a和g可由下式求得；
其中，r表示探測器的位置在火星慣性系下的表示，<，<，<:表示風(fēng)向坐標(biāo)系 (Wind化ame，WF)S軸的單位矢量在火星慣性系中的表示，0表示探測器的傾側(cè)角，是火星 大氣進(jìn)入段主要控制變量，本發(fā)中明傾側(cè)角視為常值，D，L分別表示氣動阻力和氣動升力在 風(fēng)向坐標(biāo)系中的表示；其中，風(fēng)向坐標(biāo)系X軸定義如下：
其中，上角標(biāo)表示風(fēng)向坐標(biāo)系，Vw表示探測器相對于火星大氣的速度在火星慣 性系下的表示，本發(fā)明中假設(shè)火星大氣相對于火星表面為靜止的，#表示探測器相對于火 星慣性系的速度，Q表示火星的自轉(zhuǎn)角速度速度，本發(fā)明中忽略火星章動的因素，設(shè)Q= 4. 282829el3為常值，符號表示矢量叉乘，IIvwII表示相對速度的2范數(shù)，詩，< 軸 定義如下：
其中，<位于當(dāng)?shù)厮矫妫?lt;和<，<軸組成笛卡爾直角坐標(biāo)系，該樣可w得到風(fēng)向 坐標(biāo)系相對于火星慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣如下：
其中，C?表示由風(fēng)向坐標(biāo)系轉(zhuǎn)向火星慣性系轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換矩陣； 步驟2 ;建立火星大氣進(jìn)入段無線電測量模型及無線電測量中斷模型，用于步驟3對探 測器位置和速度信息的修正； 探測器攜帶的加速度計可W測量得到探測器=軸的加速度信息，氣動加速度a在風(fēng)向 坐標(biāo)系表示為：
探測器攜帶的無線電信號接收機(jī)接收來自m個軌道器/地面信標(biāo)的無線電信號，并從 中得到信號從軌道器/地面信標(biāo)傳播到探測器的時間ti及信號頻率Afi的變化，計算出探 測器和m個軌道器/地面信標(biāo)之間的相對距離Ri及相對速度Vi的變化，探測器和第i個軌 道器/地面信標(biāo)之間的相對距離Ri和相對速度Vi表示為：
式中，C為光速，ti表示第i個軌道器發(fā)射的無線電信號到達(dá)探測器的傳播時間，Af表示探測器與信標(biāo)之間無線電信號頻率改變值，*1。。。,，表示第i個無線電信標(biāo)在火星慣性 系下的位置，表示第i個無線電信標(biāo)在火星慣性系下的速度表示； 則基于IMU和無線電測距、測速的導(dǎo)航量測模型如下：
C7) 式中，a表示氣動加速度如式妨所示，R=化，L，Rm]，V= [Vi，L，V。]，av、rv、Vv分別為 加速度計測量噪聲及無線電接收機(jī)的測量誤差，針對進(jìn)入段無線電測量會存在中斷現(xiàn)象， 對測量模型進(jìn)行修正如下： Yk=rkh(Xk)+u, 巧） 其中，丫k表示一個隨機(jī)數(shù)，丫k= 1表示無線電測量正常，丫k=〇表示無線電測量中 I巾廣 斷； 步驟3結(jié)合步驟2無線電模型及中斷模型對探測器狀態(tài)進(jìn)行解算，估計出探測器的狀 態(tài)； 根據(jù)步驟1得到火星大氣進(jìn)入段探測器的狀態(tài)方程A' =/^v)W及步驟2得到的量測模 型yk= 丫kh(Xk)+〇k,采用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波（ExtendKalmanFilter,EKF)算法，針對進(jìn) 入段無線電測量存在中斷的情況，把無線電模型量測模型和中斷模型視為兩個模型，并對 傳統(tǒng)的EKF算法進(jìn)行修正，保證無線電測量中斷條件下狀態(tài)探測器的狀態(tài)估計精度與系統(tǒng) 的魯椿性。
【專利摘要】本發(fā)明公開的一種基于多模型的火星大氣進(jìn)入容中斷估計方法，涉及火星大氣進(jìn)入容中斷估計方法，屬于深空探測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明實施步驟為：步驟1：建立火星大氣進(jìn)入段動力學(xué)方程。步驟2：建立火星大氣進(jìn)入段無線電測量模型及無線電測量中斷模型，用于步驟3對探測器位置和速度信息的修正。步驟3結(jié)合步驟2無線電模型及中斷模型及濾波算法對探測器狀態(tài)進(jìn)行解算，估計出探測器的狀態(tài)。本發(fā)明可有效抑制無線電測量中斷下探測器狀態(tài)估計發(fā)散問題，提高探測器在火星大氣進(jìn)入段的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性及狀態(tài)估計精度。本發(fā)明可為未來火星著陸探測中大氣進(jìn)入段采用無線電導(dǎo)航方案設(shè)計提供技術(shù)支持和參考。
【IPC分類】G06F19-00, G01C21-20, G01C25-00
【公開號】CN104794323
【申請?zhí)枴緾N201410809529
【發(fā)明人】崔平遠(yuǎn), 鄧劍峰, 高艾, 朱圣英, 徐瑞
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2014年12月23日