CN110672105A - 一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法 - Google Patents

一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：建立两颗探测器相对小天体的运动模型，构建双探测器接近小天体协同导航系统的状态模型；基于光学观测原理与无线电测距原理建立双探测器接近小天体的协同导航系统观测模型；结合双探测器接近小天体协同导航系统状态模型式、步双探测器接近小天体协同导航系统观测模型式，采用非线性导航滤波算法对两颗探测器相对小天体的位置与速度矢量进行协同估计，实现小天体接近段双探测器高精度协同光学导航。本发明包括但不限于两颗探测器，当探测器为多颗时，通过探测器之间的距离信息及小天体相对各个探测器的视线矢量信息实现高精度协同光学导航。

Description

一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法
技术领域
本发明涉及一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，属于深空探测技术领域。
背景技术
在小天体接近过程中，探测器需要确定自身相对于小天体的位置与速度信息，以实现精确飞越探测。光学导航是目前小天体接近段常用的导航方法，探测器通过星载相机获得小天体图像，进而确定小天体相对探测器的视线方向，以视线方向为观测量，结合探测器相对小行星的动力学方程，估计探测器相对小行星的位置与速度。然而在接近小天体的过程中，探测器相对小天体的运动轨迹近似为直线，这种几何构型使得光学相对导航的性能退化，精度降低。本专利旨在发明一种小天体接近高精度光学导航方法，为未来小天体探测工程提供技术参考。
发明内容
本发明公开的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法要解决的技术问题为：在接近小天体的过程中，两颗探测器对小天体进行光学观测，两探测器之间进行无线电测距，融合两颗探测器的光学测量信息以及两者之间的测距信息，对两者相对小天体的位置与速度信息进行协同估计，即实现小天体接近段双探测器高精度协同光学导航。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，建立两颗探测器相对小天体的运动模型，进而构建双探测器接近小天体协同导航系统的状态模型；基于光学观测原理与无线电测距原理建立双探测器接近小天体的协同导航系统观测模型；结合双探测器接近小天体协同导航系统状态模型式，以及步双探测器接近小天体协同导航系统观测模型式，采用非线性导航滤波算法对两颗探测器相对小天体的位置与速度矢量进行协同估计，即实现小天体接近段双探测器高精度协同光学导航。
本发明公开的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，包括如下步骤：
步骤1：建立两颗探测器相对小天体的运动模型，进而构建双探测器接近小天体协同导航系统的状态模型。
在小天体接近过程中，两个探测器相对小天体均近似做匀速直线运动，运动模型分别如式(1)、(2)所示。
Figure BDA0002283941600000022
式中，r1为第一颗探测器相对小天体的位置矢量，v1为第一颗探测器相对小天体的速度矢量，r2为第二颗探测器相对小天体的位置矢量，v2为第二颗探测器相对小天体的速度矢量。则综合式(1)、(2)得到双探测器接近小天体协同导航系统的状态模型，如式(3)所示
步骤2：基于光学观测原理与无线电测距原理，建立双探测器接近小天体的协同导航系统观测模型。
在双探测器接近小天体过程中，每颗探测器分别对小天体进行光学观测，获得小天体相对自身的视线矢量信息，实现立体观测效果，光学观测模型如式(4)、(5)所示
Figure BDA0002283941600000024
式中，υ1，υ2分别为两颗探测器的光学测量误差。除光学观测外，两探测器之间还进行无线电测距，观测模型如式(6)所示。
y3＝|r1-r2|+υ3 (6)
式中，υ3为测距误差。结合式(4)～(6)得到双探测器接近小天体的协同导航系统观测模型，如式(7)所示
Figure BDA0002283941600000031
步骤3：结合步骤1中的双探测器接近小天体协同导航系统状态模型，以及步骤2中的双探测器接近小天体协同导航系统观测模型，采用非线性导航滤波算法对两颗探测器相对小天体的位置与速度矢量进行协同估计，即实现小天体接近段双探测器高精度协同光学导航。
步骤3：结合步骤1中的双探测器接近小天体协同导航系统状态模型式(3)，以及步骤2中的双探测器接近小天体协同导航系统观测模型式(7)，采用非线性导航滤波算法对两颗探测器相对小天体的位置与速度矢量进行协同估计，即实现小天体接近段双探测器高精度协同光学导航。
作为优选，步骤3中非线性导航滤波算法包括扩展卡尔曼滤波算法与无迹卡尔曼滤波算法。
此外，本发明公开的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，包括但不限于两颗探测器，当探测器为多颗时，每颗探测器均测量小天体相对自身的视线矢量信息，并测量各个探测器之间的距离信息，通过探测器之间的距离信息以及小天体相对各个探测器的视线矢量信息实现高精度协同光学导航。
有益效果
1、本发明公开的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，通过两探测器测量的小天体视线方向信息以及两探测器之间的测距信息协同估计两探测器相对小天体的位置与速度，满足小天体探测任务对探测器状态确定的需求。
2、本发明公开的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，包括但不限于两颗探测器，当探测器为多颗时，每颗探测器均测量小天体相对自身的视线矢量信息，并测量各个探测器之间的距离信息，通过探测器之间的距离信息以及小天体相对各个探测器的视线矢量信息实现高精度协同光学导航。
3、本发明公开的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，通过两探测器之间的测距信息实现协同合作，提高光学导航精度、加快探测器状态误差收敛速度，改善导航系统整体性能。
附图说明
图1为一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法流程图；
图2为具体实施方式中两探测器相对小天体的位置与速度误差变化，(a)为探测器1相对小天体的三轴位置误差，(b)为探测器1相对小天体的三轴速度误差，(c)为探测器2相对小天体三轴位置误差，(d)为探测器2相对小天体的三轴速度误差。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。
如图1所示，本实例针对一种小天体接近段双探测器高精度相对导航方法，具体实施方法如下：
步骤1：建立两颗探测器相对小天体的运动模型，进而构建双探测器接近小天体协同导航系统的状态模型。
在小天体接近过程中，两个探测器相对小天体均近似做匀速直线运动，运动模型分别如式(1)、(2)所示。
Figure BDA0002283941600000041
Figure BDA0002283941600000042
式中，r1为第一颗探测器相对小天体的位置矢量，v1为第一颗探测器相对小天体的速度矢量，r2为第二颗探测器相对小天体的位置矢量，v2为第二颗探测器相对小天体的速度矢量。则综合式(1)、(2)得到双探测器接近小天体协同导航系统的状态模型，如式(3)所示
Figure BDA0002283941600000043
步骤2：基于光学观测原理与无线电测距原理，建立双探测器接近小天体的协同导航系统观测模型。
在双探测器接近小天体过程中，每颗探测器分别对小天体进行光学观测，获得小天体相对自身的视线矢量信息，实现立体观测效果，光学观测模型如式(4)、(5)所示。
Figure BDA0002283941600000051
Figure BDA0002283941600000052
式中，υ1，υ2分别为两颗探测器的光学测量误差。除光学观测外，两探测器之间还进行无线电测距，观测模型如式(6)所示。
y3＝|r1-r2|+υ3 (6)
式中，υ3为测距误差。结合式(4)～(6)得到双探测器接近小天体的协同导航系统观测模型，如式(7)所示
Figure BDA0002283941600000053
步骤3：结合步骤1中的双探测器接近小天体协同导航系统状态模型，以及步骤2中的双探测器接近小天体协同导航系统观测模型，采用非线性导航滤波算法对两颗探测器相对小天体的位置与速度矢量进行协同估计，即实现小天体接近段双探测器高精度协同光学导航。
步骤3：结合步骤1中的双探测器接近小天体协同导航系统状态模型式(3)，以及步骤2中的双探测器接近小天体协同导航系统观测模型式(7)，采用扩展卡尔曼算法对两颗探测器相对小天体的位置与速度矢量进行协同估计，即实现小天体接近段双探测器高精度协同光学导航。
本实例中的仿真参数设置如表1所示。
表1仿真参数设置
参数名称 均值
第一颗探测器相对小天体的初始估计位置(km) (-10000,100000,10000)
第一颗探测器相对小天体的初始估计速度(km/s) (0.1,-0.6,-0.1)
第二颗探测器相对小天体的初始估计位置(km) (-9000,110000,12000)
第二颗探测器相对小天体的初始估计速度(km/s) (0.12,-0.58,-0.12)
初始相对位置误差(km) (5050,50)
初始相对速度误差(km/s) (0.001,0.001,0.001)
采用双一种小天体接近段双探测器高精度相对导航方法获得的两颗探测器相对小天体的位置和速度精度如表2所示。
表2双探测器接近小天体协同导航位置与速度误差
Figure BDA0002283941600000061
从图2和表2可以看出，采用双探测器接近小天体协同导航方法，能够精确估计出两颗探测器相对小天体的位置以及速度，三轴位置精度均优于1m，三轴速度精度均优于3cm/s，说明融合轨道机动数据的小天体接近高精度光学导航方法，能够精确快速地获得探测器相对小天体的位置及速度信息，实现高精度光学导航。
以上所述的具体描述，对发明的目的、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，并不用于限定本发明的保护范围，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)

1.一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1：建立两颗探测器相对小天体的运动模型，进而构建双探测器接近小天体协同导航系统的状态模型；
步骤2：基于光学观测原理与无线电测距原理，建立双探测器接近小天体的协同导航系统观测模型；
步骤3：结合步骤1中的双探测器接近小天体协同导航系统状态模型，以及步骤2中的双探测器接近小天体协同导航系统观测模型，采用非线性导航滤波算法对两颗探测器相对小天体的位置与速度矢量进行协同估计，即实现小天体接近段双探测器高精度协同光学导航。
2.如权利要求1所述的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，其特征在于：包括但不限于两颗探测器，当探测器为多颗时，每颗探测器均测量小天体相对自身的视线矢量信息，并测量各个探测器之间的距离信息，通过探测器之间的距离信息以及小天体相对各个探测器的视线矢量信息实现高精度协同光学导航。
3.如权利要求1或2所述的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，其特征在于：步骤1实现方法为，
在小天体接近过程中，两个探测器相对小天体均近似做匀速直线运动，运动模型分别如式(1)、(2)所示；
Figure FDA0002283941590000011
Figure FDA0002283941590000012
式中，r1为第一颗探测器相对小天体的位置矢量，v1为第一颗探测器相对小天体的速度矢量，r2为第二颗探测器相对小天体的位置矢量，v2为第二颗探测器相对小天体的速度矢量；则综合式(1)、(2)得到双探测器接近小天体协同导航系统的状态模型，如式(3)所示
Figure FDA0002283941590000013
4.如权利要求3所述的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，其特征在于：步骤2实现方法为，
在双探测器接近小天体过程中，每颗探测器分别对小天体进行光学观测，获得小天体相对自身的视线矢量信息，实现立体观测效果，光学观测模型如式(4)、(5)所示
Figure FDA0002283941590000014
Figure FDA0002283941590000021
式中，υ1，υ2分别为两颗探测器的光学测量误差；除光学观测外，两探测器之间还进行无线电测距，观测模型如式(6)所示；
y3＝|r1-r2|+υ3 (6)
式中，υ3为测距误差；结合式(4)～(6)得到双探测器接近小天体的协同导航系统观测模型，如式(7)所示
Figure FDA0002283941590000022
5.如权利要求4所述的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，其特征在于：步骤3实现方法为，
结合步骤1中的双探测器接近小天体协同导航系统状态模型式(3)，以及步骤2中的双探测器接近小天体协同导航系统观测模型式(7)，采用非线性导航滤波算法对两颗探测器相对小天体的位置与速度矢量进行协同估计，即实现小天体接近段双探测器高精度协同光学导航。
6.如权利要求5所述的一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法，其特征在于：步骤3中非线性导航滤波算法包括扩展卡尔曼滤波算法与无迹卡尔曼滤波算法。
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