CN107883966A - 小行星反射光谱的深空导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小行星反射光谱的深空导航方法，其包括以下步骤：步骤一，根据航天器飞行轨道与小行星星历，搜索飞行过程中近距离飞越的小行星列表；步骤二，对上述列表中的小行星进行地面观测，获得特定频率窗口下的光谱数据，建立小行星反射基准光谱数据库；步骤三，通过航天器在轨光谱测量，与基准光谱对比后，检出频移量等。本发明能够用于火星探测、小行星探测、木星探测等航天任务中，在原有导航观测量的基础上，进一步增加观测量的数量，进而提高导航精度和滤波收敛速度，在恒星测速量无法获得时，可用小行星光谱测速替代，保持导航系统的正常输出。

Description

小行星反射光谱的深空导航方法
技术领域
本发明涉及一种深空导航方法，特别是涉及一种小行星反射光谱的深空导航方法。
背景技术
深空探测任务对航天器导航能力提出了较高的要求，近年来，国内外学者提出了深空天文自主导航方法，主要分为测角、测距与测速三类，其中测速导航是近年来新兴的一种自主导航方法，主要通过测量与恒星的视向速度，进而估计出探测器的飞行状态。
除了恒星以外，太阳系中还存在大量自然天体可作为测速导航的目标源，其中小行星数量众多，已经发现的就超过五十万颗，这些小行星通过反射太阳光进行发光，其光谱可作为航天器导航用的一种新的观测量。
在上述背景下，本发明专利提出了一种利用小行星反射光谱的深空导航方法，由航天器对小行星反射光谱进行在轨观测，通过与基准光谱数据库对比，检出频移量并反演视向速度，为导航滤波提供补充观测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种小行星反射光谱的深空导航方法，其能够用于火星探测、小行星探测、木星探测等航天任务中，在原有导航观测量的基础上，进一步增加观测量的数量，进而提高导航精度和滤波收敛速度，在恒星测速量无法获得时，可用小行星光谱测速替代，保持导航系统的正常输出。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种小行星反射光谱的深空导航方法，其特征在于，所述小行星反射光谱的深空导航方法包括以下步骤：
步骤一，根据航天器飞行轨道与小行星星历，搜索飞行过程中近距离飞越的小行星列表；
步骤二，对小行星列表中的小行星进行地面观测，获得特定频率窗口下的光谱数据，建立小行星反射基准光谱数据库；
步骤三，通过航天器在轨光谱测量，与基准光谱对比后，检出频移量；
步骤四，通过多普勒公式反演航天器相对小行星的视向速度；
步骤五，导航滤波，输出位置速度估计结果。
优选地，所述步骤一中采用航天器与小行星的距离d(t)如下式作为判据：
d(t)＝|Psc(t)-Past(t)|
其中Psc(t)为航天器在t时刻下的位置矢量，Past(t)|为小行星在t时刻下的位置矢量，可由小行星星历获得，对飞行全过程中的时刻t∈[t0,tf]，以间隔dt进行遍历，得到d(t)在t∈[t0,tf]区间内的最小值dmin，当dmin小于特定阈值d0时，认定航天器对小行星进行了近距离飞越，d0的设置需与工程实际相结合，通常在几十万千米量级。
优选地，所述多普勒公式如下式：
vr＝cΔf/f0
其中，vr为视向速度，c为光速，f0为基准光谱的中心频率。
优选地，所述步骤二通过地面台站观测飞越小行星光谱，建立基准光谱数据库，并在发射前将数据加载至航天器上，供自主导航使用。
优选地，所述步骤四通过航天器携带的敏感器进行在轨光谱测量。
优选地，所述步骤五将视向速度vr作为补充观测量，送入导航滤波器进行滤波估计，输出位置与速度估计结果。
本发明的积极进步效果在于：本发明能够用于火星探测、小行星探测、木星探测等航天任务中，在原有导航观测量的基础上，进一步增加观测量的数量，进而提高导航精度和滤波收敛速度，在恒星测速量无法获得时，可用小行星光谱测速替代，保持导航系统的正常输出。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图。
图2为本发明的原理图。
图3为本发明的频移量检测原理图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1至图3所示，本发明小行星反射光谱的深空导航方法包括以下步骤：
步骤一，根据航天器4飞行轨道与小行星2星历，搜索飞行过程中近距离飞越的小行星列表；
步骤二，对上述小行星列表中的小行星进行地面观测，获得特定频率窗口下的光谱数据，建立小行星反射基准光谱数据库；
步骤三，通过航天器在轨光谱测量，与基准光谱对比后，检出频移量Δf，参见图3；
步骤四，通过多普勒公式反演航天器相对小行星的视向速度Vr，如下式(1)：
vr＝cΔf/f0……(1)
其中，c为光速，f0为基准光谱的中心频率；
步骤五，导航滤波，输出位置速度估计结果。
所述步骤一中采用航天器与小行星的距离d(t)作为判据，如下式(2)：
d(t)＝|Psc(t)-Past(t)|……(2)
其中Psc(t)为航天器在t时刻下的位置矢量，Past(t)|为小行星在t时刻下的位置矢量，可由小行星星历获得，对飞行全过程中的时刻t∈[t0，tf]，以间隔dt进行遍历，得到d(t)在t∈[t0,tf]区间内的最小值dmin，当dmin小于特定阈值d0时，即认定航天器对小行星进行了近距离飞越，d0的设置需与工程实际相结合，通常在几十万千米量级。
所述步骤一中以火星1探测为例，火星1的内侧是地球3，飞行过程中搜索到的飞越小行星列表表1所示：
表1飞越小行星列表
序号 小行星列表
1 K00T28U
2 K01SS6G
3 K02J09E
4 K03Q05H
5 K06T07U
6 K09T12K
7 K10F00R
8 K10P66R
所述步骤五中导航系统数学模型如下式公式(3)所示
式中，F(·)为非线性状态方程，X(t)为n维状态矢量，w(t)为过程噪声；H(·)为非线性观测方程，Z(t)为m维观测矢量，v(t)为观测噪声，在原有观测量Z(t)的基础上，进一步补充小行星视向速度观测量vr，导航系统数学模型变为公式(4)，
针对上式公式(4)进行导航滤波，输出导航估计结果
综上所述，本发明能够用于火星探测、小行星探测、木星探测等航天任务中，在原有导航观测量的基础上，进一步增加观测量的数量，进而提高导航精度和滤波收敛速度，在恒星测速量无法获得时，可用小行星光谱测速替代，保持导航系统的正常输出。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种小行星反射光谱的深空导航方法，其特征在于，所述小行星反射光谱的深空导航方法包括以下步骤：
步骤一，根据航天器飞行轨道与小行星星历，搜索飞行过程中近距离飞越的小行星列表；
步骤二，对小行星列表中的小行星进行地面观测，获得特定频率窗口下的光谱数据，建立小行星反射基准光谱数据库；
步骤三，通过航天器在轨光谱测量，与基准光谱对比后，检出频移量；
步骤四，通过多普勒公式反演航天器相对小行星的视向速度；
步骤五，导航滤波，输出位置速度估计结果。
2.如权利要求1所述的小行星反射光谱的深空导航方法，其特征在于，所述步骤一中采用航天器与小行星的距离d(t)如下式作为判据：
d(t)＝|Psc(t)-Past(t)|
其中Psc(t)为航天器在t时刻下的位置矢量，Past(t)|为小行星在t时刻下的位置矢量，可由小行星星历获得，对飞行全过程中的时刻t∈[t0,tf]，以间隔dt进行遍历，得到d(t)在t∈[t0,tf]区间内的最小值dmin，当dmin小于特定阈值d0时，认定航天器对小行星进行了近距离飞越，d0的设置需与工程实际相结合，通常在几十万千米量级。
3.如权利要求1所述的小行星反射光谱的深空导航方法，其特征在于，所述多普勒公式如下式：
vr＝cΔf/f0
其中，vr为视向速度，c为光速，f0为基准光谱的中心频率。
4.如权利要求1所述的小行星反射光谱的深空导航方法，其特征在于，所述步骤二通过地面台站观测飞越小行星光谱，建立基准光谱数据库，并在发射前将数据加载至航天器上，供自主导航使用。
5.如权利要求1所述的小行星反射光谱的深空导航方法，其特征在于，所述步骤四通过航天器携带的敏感器进行在轨光谱测量。
6.如权利要求1所述的小行星反射光谱的深空导航方法，其特征在于，所述步骤五将视向速度vr作为补充观测量，送入导航滤波器进行滤波估计，输出位置与速度估计结果。
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