CN106767840A - 火星探测接近段组合自主导航方法 - Google Patents

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尤伟
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Abstract

本发明提供了一种火星探测接近段组合自主导航方法，其包括以下步骤：步骤一，采用器载太阳敏感器测量太阳的视线方向，采用器载太阳光谱测速导航敏感器测量火星探测器相对太阳的相对运动速度；步骤二，采用无线电应答机获得与火星环绕器之间的距离和相对速度信息；步骤三，在J2000.0日心黄道惯性坐标系下，建立轨道动力学方程，建立导航系统模型，采用相应的导航滤波算法，获得自主导航位置、速度信息。本发明不依赖地面无线电信息，仅需要来自太阳的光信息以及火星环绕器的无线电信息即可实现航天器飞行过程的自主导航，能够建立探测器自主导航系统的系统方程，应用不同的导航滤波算法从而实现探测器导航信息的实时估计，简单易行，无时延。

Description

火星探测接近段组合自主导航方法
技术领域
本发明涉及航天领域，具体地，涉及一种火星探测接近段组合自主导航方法。
背景技术
火星接近段通常指探测器进入火星影响球开始至火星制动捕获完成，是整个火星探测任务过程中最关键的阶段之一。在该阶段，探测器所处的空间环境复杂、飞行速度快、控制要求高，且机会唯一。当制动捕获段导航精度不满足指标要求，将影响后续的环绕、着陆等阶段的探测任务，甚至导致飞跃或撞击火星等后果，导致任务失败。因此火星接近段的高精度自主导航至关重要。
当前通常采用的导航方法包括地面无线电导航、惯性导航、光学导航、天文导航、惯性导航以及组合导航等，这些导航方法和技术的发展已经非常成熟，并广泛应用于航天任务中，但也都有各自的适用范围和局限性。例如惯性易受初值影响，且误差随时间积累。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种火星探测接近段组合自主导航方法，其依赖地面无线电信息，仅需要来自太阳的光信息以及火星环绕器的无线电信息即可实现航天器飞行过程的自主导航，能够建立探测器自主导航系统的系统方程，应用不同的导航滤波算法从而实现探测器导航信息的实时估计，是自主导航新方法，简单易行，具有无时延的明显优势。
根据本发明的一个方面，提供一种火星探测接近段组合自主导航方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，采用器载太阳敏感器测量太阳的视线方向，采用器载太阳光谱测速导航敏感器测量火星探测器相对太阳的相对运动速度；
步骤二，采用无线电应答机获得与火星环绕器之间的距离和相对速度信息；
步骤三，在J2000.0日心黄道惯性坐标系下，建立轨道动力学方程，建立导航系统模型，采用相应的导航滤波算法，获得自主导航位置、速度信息。
优选地，所述火星探测接近段组合自主导航方法利用已环绕于火星运行的火星环绕器作为导航信息源。
优选地，火星环绕器是先于火星探测器到达火星环绕轨道的航天器，轨道信息已被精确已知。
优选地，所述火星探测器将结合轨道动力学及导航滤波算法，实现自主导航定位与定速。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明不依赖地面无线电信息，仅需要来自太阳的光信息以及火星环绕器的无线电信息即可实现航天器飞行过程的自主导航，能够建立探测器自主导航系统的系统方程，应用不同的导航滤波算法从而实现探测器导航信息的实时估计，是自主导航新方法，简单易行，具有无时延的明显优势。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明火星探测接近段组合自主导航方法的示意图；
图2为本发明实现火星探测接近段组合自主导航的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图2所示，本发明提供一种火星探测接近段组合自主导航方法，其包括以下步骤：
步骤一，采用器载太阳敏感器测量太阳的视线方向，采用器载太阳光谱测速导航敏感器测量火星探测器相对太阳的相对运动速度；
探测器通过太阳敏感器测量太阳的视线方向ls为：
其中是太阳视线方向矢量的量测误差；r是探测器在参考系下相对太阳的位置矢量。
探测器通过太阳光谱测速导航敏感器测量获得相对太阳的视向速度vs为：
其中nv是太阳视线矢量方向的量测误差；vs是探测器和太阳相对运动的视向速度大小。
步骤二，采用无线电应答机获得与火星环绕器之间的距离和相对速度信息；
探测器与环绕器通过无线电测量得到的是二者之间的距离和径向速度：
其中，ζR和ζV为测量噪声，为零均值白噪声。
步骤三，在J2000.0日心黄道惯性坐标系下，建立轨道动力学方程，建立导航系统模型，采用相应的导航滤波算法，获得自主导航位置、速度信息。
考虑探测器在J2000.0日心黄道惯性坐标系下的空间位置与速度作为导航系统的状态矢量x：
x＝[rx,ry,rz,vx,vy,vz]T
对于火星探测器而言，依据轨道动力学方程建立状态方程，一般形式为：
上式中，第一项表示以太阳为引力中心的引力加速度项，μS为太阳引力常数；第二项表示考虑的行星第三体引力摄动加速度项，ri是第i个行星在日心黄道惯性系下的位置矢量，ui是对应的行星引力常数，rsi为行星相对探测器的位置矢量；第三项是太阳光压摄动加速度项，η是光压因子，CR为探测器的表面反射系数，AR是垂直于太阳光线方向探测器横截面积，m是航天器的质量；最后一项aT表示其他未建模加速度项。
所述火星探测接近段组合自主导航方法利用已环绕于火星运行的火星环绕器作为导航信息源，这样提前对运行轨道进行探测，能够在第一时间获取更多的信息。
所述火星环绕器是先于火星探测器到达火星环绕轨道的航天器，这样就能精确获悉轨道信息。
综上所述，本发明火星探测接近段组合自主导航方法，不依赖地面无线电信息，仅需要来自太阳的光信息以及火星环绕器的无线电信息即可实现航天器飞行过程的自主导航，能够建立探测器自主导航系统的系统方程，应用不同的导航滤波算法从而实现探测器导航信息的实时估计，是自主导航新方法，简单易行，具有无时延的明显优势。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种火星探测接近段组合自主导航方法，其特征在于，所述火星探测接近段组合自主导航方法包括以下步骤：
步骤一，采用器载太阳敏感器测量太阳的视线方向，采用器载太阳光谱测速导航敏感器测量火星探测器相对太阳的相对运动速度；
步骤二，采用无线电应答机获得与火星环绕器之间的距离和相对速度信息；
步骤三，在J2000.0日心黄道惯性坐标系下，建立轨道动力学方程，建立导航系统模型，采用相应的导航滤波算法，获得自主导航位置、速度信息。
2.根据权利要求1所述的火星探测接近段组合自主导航方法，其特征在于，所述火星探测接近段组合自主导航方法利用已环绕于火星运行的火星环绕器作为导航信息源。
3.根据权利要求2所述的火星环绕器，其特征在于，所述火星环绕器是先于火星探测器到达火星环绕轨道的航天器，轨道信息已被精确已知。
4.根据权利要求2所述的火星环绕器，其特征在于，所述火星探测器将结合轨道动力学及导航滤波算法，实现自主导航定位与定速。
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