CN110672105B - 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

Info

Publication number
CN110672105B
CN110672105B CN201911152536.4A CN201911152536A CN110672105B CN 110672105 B CN110672105 B CN 110672105B CN 201911152536 A CN201911152536 A CN 201911152536A CN 110672105 B CN110672105 B CN 110672105B
Authority
CN
China
Prior art keywords
celestial body
small celestial
detectors
detector
collaborative
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911152536.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110672105A (zh
Inventor
秦同
乔栋
黄江川
罗燕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN201911152536.4A priority Critical patent/CN110672105B/zh
Publication of CN110672105A publication Critical patent/CN110672105A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110672105B publication Critical patent/CN110672105B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/24—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 specially adapted for cosmonautical navigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Navigation (AREA)

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 BDA0002283941600000021
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
Figure BDA0002283941600000023
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
Figure BDA0002283941600000025
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 (2)

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；
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；
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 FDA0002937061000000011
Figure FDA0002937061000000012
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 FDA0002937061000000013
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 FDA0002937061000000014
Figure FDA0002937061000000015
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 FDA0002937061000000021
。
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：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。
CN201911152536.4A 2019-11-22 2019-11-22 一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法 Active CN110672105B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911152536.4A CN110672105B (zh) 2019-11-22 2019-11-22 一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911152536.4A CN110672105B (zh) 2019-11-22 2019-11-22 一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110672105A CN110672105A (zh) 2020-01-10
CN110672105B true CN110672105B (zh) 2021-04-20

Family

ID=69087986

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911152536.4A Active CN110672105B (zh) 2019-11-22 2019-11-22 一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110672105B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111735459B (zh) * 2020-07-15 2022-03-22 北京理工大学 小天体探测器间协同导航方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006006970A1 (de) * 2006-02-14 2007-08-30 Kmf Management Gmbh Mobiles Computersystem zur Routenplanung
CN103063217A (zh) * 2013-01-08 2013-04-24 北京航空航天大学 一种基于星历修正的深空探测器天文/无线电组合导航方法
CN104567880A (zh) * 2014-12-23 2015-04-29 北京理工大学 一种基于多源信息融合的火星最终接近段自主导航方法
CN105203101A (zh) * 2015-09-02 2015-12-30 北京航空航天大学 一种基于目标天体星历修正的深空探测器捕获段天文导航方法
US9336680B2 (en) * 2012-07-06 2016-05-10 Kapsch Trafficcom Ag Method for detecting a wheel of a vehicle
CN106679675A (zh) * 2016-12-29 2017-05-17 北京理工大学 一种基于相对测量信息的火星最终接近段自主导航方法
CN106767840A (zh) * 2016-11-18 2017-05-31 上海卫星工程研究所 火星探测接近段组合自主导航方法
CN107796405A (zh) * 2017-09-25 2018-03-13 上海卫星工程研究所 面向深空探测巡航段的恒星测速导航仪在轨跟踪方法
CN109059935A (zh) * 2018-06-26 2018-12-21 上海卫星工程研究所 火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法
CN109059936A (zh) * 2018-07-09 2018-12-21 上海卫星工程研究所 基于安装矩阵修正的火星接近段光学导航数据解算方法
CN110146093A (zh) * 2019-06-19 2019-08-20 北京理工大学 双体小行星探测自主协同光学导航方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040263852A1 (en) * 2003-06-03 2004-12-30 Lasen, Inc. Aerial leak detector
ITTO20110645A1 (it) * 2011-07-18 2013-01-19 Thales Alenia Space Italia S P A C On Unico Socio Sistemi di localizzazione, navigazione, esplorazione e monitoraggio per ambienti sconosciuti e/o difficili

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006006970A1 (de) * 2006-02-14 2007-08-30 Kmf Management Gmbh Mobiles Computersystem zur Routenplanung
US9336680B2 (en) * 2012-07-06 2016-05-10 Kapsch Trafficcom Ag Method for detecting a wheel of a vehicle
CN103063217A (zh) * 2013-01-08 2013-04-24 北京航空航天大学 一种基于星历修正的深空探测器天文/无线电组合导航方法
CN104567880A (zh) * 2014-12-23 2015-04-29 北京理工大学 一种基于多源信息融合的火星最终接近段自主导航方法
CN105203101A (zh) * 2015-09-02 2015-12-30 北京航空航天大学 一种基于目标天体星历修正的深空探测器捕获段天文导航方法
CN106767840A (zh) * 2016-11-18 2017-05-31 上海卫星工程研究所 火星探测接近段组合自主导航方法
CN106679675A (zh) * 2016-12-29 2017-05-17 北京理工大学 一种基于相对测量信息的火星最终接近段自主导航方法
CN107796405A (zh) * 2017-09-25 2018-03-13 上海卫星工程研究所 面向深空探测巡航段的恒星测速导航仪在轨跟踪方法
CN109059935A (zh) * 2018-06-26 2018-12-21 上海卫星工程研究所 火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法
CN109059936A (zh) * 2018-07-09 2018-12-21 上海卫星工程研究所 基于安装矩阵修正的火星接近段光学导航数据解算方法
CN110146093A (zh) * 2019-06-19 2019-08-20 北京理工大学 双体小行星探测自主协同光学导航方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"An innovative navigation scheme of powered descent phase for Mars pinpoint landing";Qin, Tong等;《ADVANCES IN SPACE RESEARCH》;20141130;第54卷(第9期);1888-1900 *
"Maneuver-free approach to range-only initial relative orbit determination for spacecraft proximity operations";Gong, Baichun等;《Systems (DyCoSS "2018)》;20191031;第163卷;87-95 *
"Onboard Image-Processing Algorithm for a Spacecraft Optical Navigation Sensor System";Christian, John A.等;《AIAA Space Conference and Exhibition》;20121231;337-352 *
"Visual navigation using edge curve matching for pinpoint planetary landing";Cui, Pingyuan等;《ACTA ASTRONAUTICA》;20180531;第146卷;171-180 *
"基于改进多模型的火星大气进入自适应估计方法";邓剑峰等;《深空探测学报》;20171231;第4卷(第6期);535-543,551 *
"小行星探测近轨操作的轨道动力学与控制";李翔宇等;《中国科学: 物理学 力学 天文学》;20190630;第49卷(第8期);084508-1-12 *
"无线电测量辅助的深空接近段自主光学导航方法";荆燕;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20180630(第6期);C031-268 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110672105A (zh) 2020-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105300410B (zh) 采煤机惯性导航定位误差校准装置及方法
CN106680765B (zh) 基于分布式组合滤波ins/uwb行人导航系统及方法
CN103196445B (zh) 基于匹配技术的地磁辅助惯性的载体姿态测量方法
CN110375730A (zh) 基于imu和uwb融合的室内定位导航系统
CN104457705B (zh) 基于天基自主光学观测的深空目标天体初定轨方法
CN113551668B (zh) 一种航天器惯性/恒星星光矢量/星光折射组合导航方法
CN109269511B (zh) 未知环境下行星着陆的曲线匹配视觉导航方法
CN110702091A (zh) 一种沿地铁轨道移动机器人的高精度定位方法
CN105973268B (zh) 一种基于共基座安装的传递对准精度定量评估方法
CN107144278B (zh) 一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法
CN114739425A (zh) 基于rtk-gnss及全站仪的采煤机定位标定系统及应用方法
CN107689065A (zh) 一种gps双目摄像机标定及空间点重建方法
CN103644911A (zh) 陀螺仪辅助定位方法
CN113358112A (zh) 一种地图构建方法及一种激光惯性里程计
CN106802143B (zh) 一种基于惯性仪器和迭代滤波算法的船体形变角测量方法
CN110686684B (zh) 一种小天体环绕探测器光学协同定轨方法
CN111256695A (zh) 基于粒子滤波算法的uwb/ins组合室内定位方法
CN108738132A (zh) 一种基于tdoa的三基站移动通信定位方法
CN105737850B (zh) 基于粒子滤波的变尺度单方向重力采样矢量匹配定位方法
CN110672105B (zh) 一种小天体接近段双探测器高精度协同光学导航方法
CN113253325A (zh) 惯性卫星序贯紧组合李群滤波方法
CN110926499A (zh) 基于李群最优估计的sins捷联惯性导航系统晃动基座自对准方法
Choi et al. An adaptive tracking estimator for robust vehicular localization in shadowing areas
CN117119586A (zh) 一种基于uwb和imu室内定位融合算法
CN102519469B (zh) 基于计算机视觉和vlbi联合平差的行星车定位方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant