CN109059935B - 火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法，其包括以下步骤：步骤一：火星探测器在接近火星过程中，在巡航段距离火星1000万公里至10万公里处，光学导航敏感器开机；步骤二：根据无线电导航与光学导航测量数据，分析无线电导航、光学导航精度；步骤三：确定地面无线电导航绝对优先策略/器上光学自主导航绝对优先策略/组合导航信息融合策略等导航切换策略；步骤四：至距离火星小于10万公里时，光学导航敏感器关机，切换至地面无线电导航。本发明可满足未来火星探测导航任务需求，为深空探测器高精度导航提供了良好的技术手段。

Description

火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法
技术领域
本发明涉及航天器领域，具体地，涉及一种火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法。
背景技术
火星探测任务飞行距离远、持续时间长，探测对象和探测环境存在大量未知和不确定性，无线电导航的精度和实时性随探测器与地面站之间距离的增加而降低，且存在因通信盲区导致的导航数据不连续等问题，无法完全满足火星探测特殊飞行阶段(如制动捕获段)的导航需求，而基于火星图像的光学导航方法只适用于火星接近过程中。为此，亟需开展地面无线电导航与器上自主导航切换方法研究。
发明内容
针对地面无线电导航、光学自主导航等单一导航方法应用于火星探测飞行过程中的局限性，本发明的目的是提供一种火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法，解决单一导航方法的局限性问题，可满足未来火星探测导航任务需求，为深空探测器高精度导航提供了良好的技术手段。
根据本发明的一个方面，提供一种火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法，其特征在于，所述火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法包括以下步骤：
步骤一：火星探测器在接近火星过程中，持续开展地面无线电导航，在巡航段距离火星1000万公里至10万公里处，光学导航敏感器开机；
步骤二：根据无线电导航与光学导航测量数据，分析无线电导航、光学导航精度；
步骤三：根据无线电导航、光学导航精度，确定导航切换策略，当地面无线电导航精度明显较高时，采取地面无线电导航绝对优先策略，仅无线电导航系统输出导航参数；当光学导航精度明显较高时，采取器上光学自主导航绝对优先策略，仅光学导航输出导航参数；当地面无线电导航与光学导航精度相当时，采取组合导航信息融合策略，获得全局最优估计；
步骤四：至距离火星小于10万公里时，光学导航敏感器关机，切换至地面无线电导航。
优选地，所述火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法采用以下三种切换策略：地面无线电导航绝对优先策略、器上光学自主导航绝对优先策略、组合导航信息融合策略。
优选地，所述组合导航信息融合策略的具体内容如下：假定X1(k),P1(k)和X2(k),P2(k)分别是无线电导航子滤波器和光学导航子滤波器的状态估计值和估计误差协方差阵，则全局最优状态估计值和估计误差协方差阵可由下式得到如下式：
Figure GDA0002738433470000021
Figure GDA0002738433470000022
Xi(k)＝Xg(k)
Figure GDA0002738433470000023
β1+β2＝1,i＝1,2；0≤β≤1
式中，βi为反馈系数(或称信息分配因子)，与子滤波器的估计误差协方差阵成反比，其选择的基本原则是在满足信息守恒公式的前提下与局部滤波器的滤波精度成正比，一般取为固定值；在本方案中，为了获得更好的滤波结果，则使用基于估计误差矩阵的动态分配信息因子算法为如下式：
Figure GDA0002738433470000024
当某一子系统出现故障性能恶化时，其误差协方差阵就会增大，其所对应的信息分配因子就会减小，因此该子系统在信息融合中所占的比例就会减小，对总体估计性能的影响也减小。
优选地，所述无线电导航、光学导航精度由光学导航敏感器误差、火星星历误差、动力学模型误差、姿态确定误差、导航算法误差决定。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：可满足未来火星探测导航任务需求，为深空探测器高精度导航提供了良好的技术手段，弥补单一导航方法在火星捕获接近段的不足。
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为本发明火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法的流程图。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法包括以下
步骤：
步骤一：火星探测器在接近火星过程中，持续开展地面无线电导航，在巡航段距离火星1000万公里至10万公里处，光学导航敏感器开机；
步骤二：根据无线电导航与光学导航测量数据，分析无线电导航、光学导航精度；
步骤三：根据无线电导航、光学导航精度，确定导航切换策略，当地面无线电导航精度明显较高时，采取地面无线电导航绝对优先策略，仅无线电导航系统输出导航参数；当光学导航精度明显较高时，采取器上光学自主导航绝对优先策略，仅光学导航输出导航参数；当地面无线电导航与光学导航精度相当时，采取组合导航信息融合策略，获得全局最优估计；
步骤四：至距离火星小于10万公里时，光学导航敏感器关机，切换至地面无线电导航。
本发明火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法采用以下三种切换策略：地面无线电导航绝对优先策略、器上光学自主导航绝对优先策略、组合导航信息融合策略。
组合导航信息融合策略的具体内容如下：假定X1(k),P1(k)和X2(k),P2(k)分别是无线电导航子滤波器和光学导航子滤波器的状态估计值和估计误差协方差阵，则全局最优状态估计值和估计误差协方差阵可由下式得到如下式(1)至(5)：
Figure GDA0002738433470000041
Figure GDA0002738433470000042
Xi(k)＝Xg(k) (3)
Figure GDA0002738433470000043
β1+β2＝1,i＝1,2；0≤β≤1 (5)
式中，βi为反馈系数(或称信息分配因子)，与子滤波器的估计误差协方差阵成反比，其选择的基本原则是在满足信息守恒公式的前提下与局部滤波器的滤波精度成正比，一般取为固定值；在本方案中，为了获得更好的滤波结果，则使用基于估计误差矩阵(P为范数)的动态分配信息因子算法为如下式(6)：
Figure GDA0002738433470000044
当某一子系统出现故障性能恶化时，其误差协方差阵就会增大，其所对应的信息分配因子就会减小，因此该子系统在信息融合中所占的比例就会减小，对总体估计性能的影响也减小。因此，这种将信息分配因子与子系统的误差矩阵相结合的方法可以大大提高组合系统的可靠性。
光学导航敏感器在巡航段距离火星1000万公里至10万公里处开机工作，可作为器上轨道递推的备份定轨手段。
无线电导航、光学导航精度由光学导航敏感器误差、火星星历误差、动力学模型误差、姿态确定误差、导航算法误差决定。
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 (2)

1.一种火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法，其特征在于，所述火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法包括以下步骤：
步骤一：火星探测器在接近火星过程中，持续开展地面无线电导航，在巡航段距离火星1000万公里至10万公里处，光学导航敏感器开机；
步骤二：根据无线电导航与光学导航测量数据，分析无线电导航、光学导航精度；
步骤三：根据无线电导航、光学导航精度，确定导航切换策略，当地面无线电导航精度明显较高时，采取地面无线电导航绝对优先策略，仅无线电导航系统输出导航参数；当光学导航精度明显较高时，采取器上光学自主导航绝对优先策略，仅光学导航输出导航参数；当地面无线电导航与光学导航精度相当时，采取组合导航信息融合策略，获得全局最优估计；
步骤四：至距离火星小于10万公里时，光学导航敏感器关机，切换至地面无线电导航；
所述火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法采用以下三种切换策略：地面无线电导航绝对优先策略、器上光学自主导航绝对优先策略、组合导航信息融合策略；
所述无线电导航、光学导航精度由光学导航敏感器误差、火星星历误差、动力学模型误差、姿态确定误差、导航算法误差决定。
2.根据权利要求1所述的火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法，其特征在于，所述组合导航信息融合策略的具体内容如下：假定X1(k),P1(k)和X2(k),P2(k)分别是无线电导航子滤波器和光学导航子滤波器的状态估计值和估计误差协方差阵，则全局最优状态估计值和估计误差协方差阵可由下式得到如下式：
Figure FDA0002738433460000011
Figure FDA0002738433460000012
Xi(k)＝Xg(k)
Figure FDA0002738433460000013
β1+β2＝1,i＝1,2；0≤β≤1
式中，βi为反馈系数或称信息分配因子，与子滤波器的估计误差协方差阵成反比，其选择的基本原则是在满足信息守恒公式的前提下与局部滤波器的滤波精度成正比，一般取为固定值；在本方案中，为了获得更好的滤波结果，则使用基于估计误差矩阵的动态分配信息因子算法为如下式：
Figure FDA0002738433460000021
当某一子系统出现故障性能恶化时，其误差协方差阵就会增大，其所对应的信息分配因子就会减小，因此该子系统在信息融合中所占的比例就会减小，对总体估计性能的影响也减小。
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