CN111323020A - 一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，使火星探测器在环绕火星飞行过程中，不依靠地面深空测控网的支持，而仅依靠星敏感器以及火星敏感器对火星边缘矢量及中心矢量的观测完成自主定轨。探测器自主定轨是根据火星的边缘矢量及中心矢量计算出火星敏感器坐标系下探测器相对于火星中心的三轴位置，然后根据星敏感器输出的姿态四元数计算火星惯性系下探测器相对于火星中心的三轴位置，利用泰勒展开公式构造滤波算法，实时估计探测器的位置，速度。与现有技术相比，其有益效果是：本发明提出的自主定轨方法，使探测器能够利用火星敏感器观测的同一幅图像中的火星边缘矢量及中心矢量进行自主定轨，简化了系统配置。

Description

一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法
技术领域
本发明设计一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，用于火星探测器在环绕火星过程中，利用星敏感器和火星敏感器输出的火星边缘矢量以及中心矢量自主进行位置和速度计算的定轨方法。
背景技术
火星探测器在环绕火星飞行过程中，需要实时计算探测器的位置速度，以保证整器姿态基准计算及任务成功。
国内无火星探测经验，地球卫星轨道计算一般根据地面测定轨提供轨道初值，在线进行轨道递推或利用器载GNSS设备解算高精度轨道数据。然而对于火星探测器而言，具有器地距离远，无GNSS可用的特点，单纯借鉴地球卫星的轨道计算方法存在可测窗口狭窄，无GNSS可用，信息延迟大，自主性差的问题，且目前针对火星探测任务的自主导航研究需要利用多个敏感器观测多个目标进行自主定轨，实现复杂，因此可以研究一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，仅利用一台火星导航敏感器输出的同一幅火星图像的火星边缘矢量以及中心矢量进行自主定轨。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出了一种一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，用于火星探测器在环绕火星过程中位置和速度计算的定轨。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案实现：
一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，步骤如下：
(1)利用上一拍火星探测器的位置、速度的估计值结合火星探测器轨道动力学方程预测当拍的位置、速度；
(2)计算火星敏感器坐标系下探测器相对于火星中心的三轴位置；
(3)将火星探测器相对于火星的三轴位置转换到火星惯性系下，计算火星惯性系下探测器相对于火星中心的三轴位置；
(4)计算当拍状态转移矩阵；
(5)计算当拍估计方差的预测值；
(6)计算当拍的修正增益；
(7)更新估计方差和当拍估计值。
进一步的，所述步骤(1)中，火星探测器的轨道动力学方程采用4阶非球形引力、太阳引力以及太阳光压摄动模型。
进一步的，火星敏感器坐标系的定义为：原点O为火星敏感器探测像面的中心,OZ轴与火星敏感器光轴平行,OX轴在火星敏感器探测像面内与探测像面的行平行,OY由右手法则确定。
进一步的，火星敏感器测量坐标系下火星探测器相对于火星中心的三轴位置ρ：
Figure BDA0002391732220000021
其中，
Figure BDA0002391732220000022
为火星中心矢量，
Figure BDA0002391732220000023
为火星敏感器输出的火星边缘矢量，其中，i＝1,2,3,4,5；A为火星标准椭球参数阵，
Figure BDA0002391732220000024
其中a，b的值取3397km，c的值取3377km。
进一步的，所述步骤(3)中火星惯性系下探测器相对于火星中心的三轴位置
Figure BDA0002391732220000025
具体为：
Figure BDA0002391732220000031
T＝f(q)
Figure BDA0002391732220000032
其中，T为火星敏感器到火星惯性系的姿态转换矩阵，f()表示将姿态四元数转换为姿态矩阵运算函数，qsm为火星敏感器到星敏感器的姿态转换四元数，qsi为星敏感器输出的星敏感器相对于火星惯性系的姿态四元数。
进一步的，步骤(4)计算当拍状态转移矩阵，具体为：
状态转移矩阵Φ：
Figure BDA0002391732220000033
其中，Φ41、Φ42、Φ43、Φ51、Φ52、Φ53、Φ61、Φ62、Φ63为矩阵元素，T计为计算周期；
Figure BDA0002391732220000034
Figure BDA0002391732220000036
Φ51＝Φ42；
Figure BDA0002391732220000037
Figure BDA0002391732220000038
Figure BDA0002391732220000039
Figure BDA0002391732220000041
Figure BDA0002391732220000042
Figure BDA0002391732220000043
Figure BDA0002391732220000044
火星惯性系下环绕器的状态量
Figure BDA0002391732220000045
其中
Figure BDA0002391732220000046
为位置矢量，
Figure BDA0002391732220000047
为速度矢量；μm为火星的引力常数，值为42828.4，常数Jm2＝1.958744×10-3，、常数Rm＝3397。
进一步的，步骤(5)计算当拍估计方差的预测值，具体为：
Figure BDA0002391732220000048
其中，估计方差的初始值取对角线为100的6阶方阵，
常数矩阵
Figure BDA0002391732220000049
为估计方差的预测值，PK-1为当前周期的更新值。
进一步的，步骤(6)计算当拍的修正增益KRK，具体为：
Figure BDA00023917322200000410
其中，
Figure BDA00023917322200000411
进一步的，步骤(7)更新估计方差和当拍估计值，具体为：
(7.1)计算修正量
Figure BDA00023917322200000412
Figure BDA0002391732220000051
其中
Figure BDA0002391732220000052
为6行1列矩阵，分别表示三维位置，三维速度的修正量，
Figure BDA0002391732220000053
为预测的环绕器相对火星的三维位置。
(7.2)状态量更新：
Figure BDA0002391732220000054
Figure BDA0002391732220000055
其中，其中
Figure BDA0002391732220000057
为位置矢量，
Figure BDA0002391732220000058
为速度矢量，
Figure BDA0002391732220000059
为根据上一周期估计值预测的当前周期的预测值，I为单位矩阵。
本发明采用的方法与现有技术相比，其优点和有益效果是：
(1)本发明通过一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，仅使用火星导航敏感器输出的同一幅火星图像的边缘矢量以及中心矢量进行自主定轨，简化了系统配置；
(2)在计算环绕器相对火星的位置时，使用5个不同的火星边缘矢量及火星标准椭球模型，提高了计算精度；
(3)在计算火星敏感器到火星惯性系的转换矩阵过程中，使用星敏感器的直接输出，提高了矩阵的计算精度。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
探测器自主定轨是根据火星的边缘矢量及中心矢量计算出火星敏感器坐标系下探测器相对于火星中心的三轴位置，然后根据星敏感器输出的姿态四元数计算火星惯性系下探测器相对于火星中心的三轴位置，利用泰勒展开公式构造滤波算法，实时估计探测器的位置，速度。与现有技术相比，其有益效果是：种基于火星边缘矢量及中心矢量观测的环火段自主定轨方法，使探测器能够利用火星敏感器观测的同一幅图像中的火星边缘矢量及中心矢量进行自主定轨，简化了系统配置。
如图1所示，本发明提出一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，步骤如下：
(1)利用上一拍火星探测器的位置、速度的估计值结合火星探测器轨道动力学方程预测当拍的位置、速度；
火星探测器的轨道动力学方程采用4阶非球形引力、太阳引力以及太阳光压摄动模型。
(2)计算火星敏感器坐标系下探测器相对于火星中心的三轴位置；
火星敏感器坐标系的定义为：原点O为火星敏感器探测像面的中心,OZ轴与火星敏感器光轴平行,OX轴在火星敏感器探测像面内与探测像面的行平行,OY由右手法则确定。
(3)将火星探测器相对于火星的三轴位置转换到火星惯性系下，计算火星惯性系下探测器相对于火星中心的三轴位置；
(4)计算当拍状态转移矩阵；
(5)计算当拍估计方差的预测值；
(6)计算当拍的修正增益；
(7)更新估计方差和当拍估计值。
具体的，
输入：星敏感器输出的星敏感器相对于火星惯性系的姿态四元数qsi，火星敏感器输出的火星边缘矢量
Figure BDA0002391732220000061
火星中心矢量
Figure BDA0002391732220000062
火星敏感器到星敏感器的姿态转换四元数qsm。
输出：火星惯性系下环绕器的状态量
Figure BDA0002391732220000063
其中
Figure BDA0002391732220000064
为位置矢量，
Figure BDA0002391732220000071
为速度矢量)。
处理过程：
状态量初值由当前轨道数据赋值。
处理过程：
1)调用环火段轨道递推程序对环绕器位置、速度进行一步预测Xf，包括rf，vf。
2)计算火星敏感器测量坐标系下火星探测器相对于火星中心的三轴位置ρ：
Figure BDA0002391732220000072
Figure BDA0002391732220000073
为火星中心矢量，
Figure BDA0002391732220000074
为火星敏感器输出的火星边缘矢量，其中，i＝1,2,3,4,5；A为火星标准椭球参数阵，
Figure BDA0002391732220000075
其中a，b的值取3397km，c的值取3377km。
3)计算火星惯性系下火星探测器相对于火星中心的三轴位置
Figure BDA0002391732220000076
Figure BDA0002391732220000077
T＝f(q)
Figure BDA0002391732220000078
其中，T为火星敏感器到火星惯性系的姿态转换矩阵，f()表示将姿态四元数转换为姿态矩阵运算函数(为公知计算)，qsm为火星敏感器到星敏感器的姿态转换四元数，qsi为星敏感器输出的星敏感器相对于火星惯性系的姿态四元数。
4)预测当前周期火星环绕器相对火星的位置和速度
Figure BDA0002391732220000079
其中
Figure BDA0002391732220000081
为前一个周期环绕器的三维位置和三维速度矢量，F()表示轨道地推运算(公知计算)。
5)导航增益计算
①求状态转移矩阵Φ，步骤如下：
Figure BDA0002391732220000082
Figure BDA0002391732220000083
Figure BDA0002391732220000084
Figure BDA0002391732220000085
Figure BDA0002391732220000086
Φ51＝Φ42
Figure BDA0002391732220000087
Figure BDA0002391732220000088
Figure BDA0002391732220000089
Figure BDA00023917322200000810
Figure BDA00023917322200000811
Figure BDA0002391732220000091
Figure BDA0002391732220000092
Figure BDA0002391732220000093
其中，Φ41、Φ42、Φ43、Φ51、Φ52、Φ53、Φ61、Φ62、Φ63为矩阵元素，T计为计算周期；火星惯性系下环绕器的状态量
Figure BDA0002391732220000094
其中
Figure BDA0002391732220000095
为位置矢量，
Figure BDA0002391732220000096
为速度矢量；μm为火星的引力常数，值为42828.4，常数Jm2＝1.958744×10-3，常数Rm＝3397。
估计方差的初始值取对角线为100的6阶方阵，
常数矩阵
Figure BDA0002391732220000097
Figure BDA0002391732220000098
为估计方差的预测值，PK-1为当前周期的更新值。
6)修正量计算
Figure BDA0002391732220000099
其中
Figure BDA00023917322200000910
为6行1列矩阵，分别表示三维位置，三维速度的修正量，
Figure BDA00023917322200000911
为预测的环绕器相对火星的三维位置。
7)状态量更新
Figure BDA0002391732220000101
Figure BDA0002391732220000102
其中，
Figure BDA0002391732220000103
其中
Figure BDA0002391732220000104
为位置矢量，
Figure BDA0002391732220000105
为速度矢量，
Figure BDA0002391732220000106
为根据上一周期估计值预测的当前周期的预测值，I为单位矩阵。
注：常数值
Jm2＝1.958744×10-3
Rm＝3397
Figure BDA0002391732220000107
Figure BDA0002391732220000108
Figure BDA0002391732220000109
Figure BDA00023917322200001010
μm为火星的引力常数，值为42828.4
最后计算的
Figure BDA00023917322200001011
为火星环绕器的三维位置和三维速度，自主定轨的目的就是实时计算火星环绕器的三维位置和三维速度。
本发明自主定轨方法仅使用火星导航敏感器输出的同一幅火星图像的边缘矢量以及中心矢量进行自主定轨，在计算环绕器相对火星的位置时，使用5个不同的火星边缘矢量及火星标准椭球模型，提高了计算精度；在计算火星敏感器到火星惯性系的转换矩阵过程中，使用星敏感器的直接输出，提高了矩阵的计算精度。

Claims (10)

1.一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，其特征在于步骤如下：
(1)利用上一拍火星探测器的位置、速度的估计值结合火星探测器轨道动力学方程预测当拍的位置、速度；
(2)计算火星敏感器坐标系下探测器相对于火星中心的三轴位置；
(3)将火星探测器相对于火星的三轴位置转换到火星惯性系下，计算火星惯性系下探测器相对于火星中心的三轴位置；
(4)计算当拍状态转移矩阵；
(5)计算当拍估计方差的预测值；
(6)计算当拍的修正增益；
(7)更新估计方差和当拍估计值。
2.根据权利要求1所示的一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，其特征在于：所述步骤(1)中，火星探测器的轨道动力学方程采用4阶非球形引力、太阳引力以及太阳光压摄动模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，其特征在于：火星敏感器坐标系的定义为：原点O为火星敏感器探测像面的中心,OZ轴与火星敏感器光轴平行,OX轴在火星敏感器探测像面内与探测像面的行平行,OY由右手法则确定。
4.根据权利要求3所述的一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，其特征在于：火星敏感器测量坐标系下火星探测器相对于火星中心的三轴位置ρ：
Figure FDA0002391732210000011
其中，
Figure FDA0002391732210000012
为火星中心矢量，
Figure FDA0002391732210000013
为火星敏感器输出的火星边缘矢量，其中，i＝1,2,3,4,5；A为火星标准椭球参数阵，
Figure FDA0002391732210000021
其中a，b的值取3397km，c的值取3377km。
5.根据权利要求4所述的一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，其特征在于：所述步骤(3)中火星惯性系下探测器相对于火星中心的三轴位置
Figure FDA0002391732210000022
具体为：
Figure FDA0002391732210000023
T＝f(q)
Figure FDA0002391732210000024
其中，T为火星敏感器到火星惯性系的姿态转换矩阵，f()表示将姿态四元数转换为姿态矩阵运算函数，qsm为火星敏感器到星敏感器的姿态转换四元数，qsi为星敏感器输出的星敏感器相对于火星惯性系的姿态四元数。
6.根据权利要求5所述的一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，其特征在于：步骤(4)计算当拍状态转移矩阵，具体为：
状态转移矩阵Φ：
Figure FDA0002391732210000025
其中，Φ41、Φ42、Φ43、Φ51、Φ52、Φ53、Φ61、Φ62、Φ63为矩阵元素，T计为计算周期；
Figure FDA0002391732210000026
Figure FDA0002391732210000027
Figure FDA0002391732210000031
Φ51＝Φ42；
Figure FDA0002391732210000032
Figure FDA0002391732210000033
Figure FDA0002391732210000034
Figure FDA0002391732210000035
Figure FDA0002391732210000036
Figure FDA0002391732210000037
Figure FDA0002391732210000038
火星惯性系下环绕器的状态量
Figure FDA0002391732210000039
其中
Figure FDA00023917322100000310
为位置矢量，
Figure FDA00023917322100000311
为速度矢量；μm为火星的引力常数，值为42828.4，常数Jm2＝1.958744×10-3，常数Rm＝3397。
7.根据权利要求6所述的一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，其特征在于：步骤(5)计算当拍估计方差的预测值，具体为：
Figure FDA00023917322100000312
其中，估计方差的初始值取对角线为100的6阶方阵，
常数矩阵
Figure FDA00023917322100000313
Figure FDA00023917322100000314
为估计方差的预测值，PK-1为当前周期的更新值。
8.根据权利要求7所述的一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，其特征在于：步骤(6)计算当拍的修正增益KRK，具体为：
Figure FDA0002391732210000041
其中，
Figure FDA0002391732210000042
9.根据权利要求8所述的一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，其特征在于：步骤(7)更新估计方差和当拍估计值，具体为：
(7.1)计算修正量
Figure FDA0002391732210000043
(7.2)状态量更新：
Figure FDA0002391732210000044
Figure FDA0002391732210000045
其中，
Figure FDA0002391732210000046
其中
Figure FDA0002391732210000047
为位置矢量，
Figure FDA0002391732210000048
为速度矢量，
Figure FDA0002391732210000049
为根据上一周期估计值预测的当前周期的预测值，I为单位矩阵。
10.根据权利要求9所述的一种基于火星边缘及中心多矢量观测的自主定轨方法，其特征在于：修正量ΔX计算如下：
Figure FDA00023917322100000410
其中
Figure FDA00023917322100000411
为6行1列矩阵，分别表示三维位置，三维速度的修正量，
Figure FDA00023917322100000412
为预测的环绕器相对火星的三维位置。
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