[发明专利]一种借力飞行轨道上深空探测器的自主天文导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种深空探测器在借力飞行轨道上的导航方法，可用于在多天体交会借力飞行轨道上深空探测器导航参数的精确确定。

背景技术

借力飞行轨道不同于自由飞行轨道，它利用第二引力体来改变探测器相对中心引力体的能量，从而改变探测器速度的大小或方向，以节省发射能量，用较小的初始速度，在没有任何动力消耗的情况下实现对探测器的加速，完成探测任务，甚至可以实现目前利用运载火箭搭载的探测器所无法实现的远距离探测任务。借力飞行轨道虽然具有要求的发射能量小，一次发射可实现多个任务等优点，但其缺点是设计很复杂，探测器在借力时轨道变化很快，其轨道模型难以精确建立。

目前常用的纯天文几何解析方法可以通过在探测器上观测的天体方位信息和近天体的位置信息，确定探测器的姿态和位置信息，但是不能直接获得探测器的速度信息，而且计算得到的位置信息的精度受量测噪声的影响较大。虽然轨道精度可以满足轨道初始设计与任务验证的要求，但是对导航滤波则是不够的，会导致滤波发散，带来巨大的导航误差。

现有的借力飞行轨道上的深空探测器纯天文几何解析方法与滤波方法的结合可以解决系统模型的问题，对探测器在借力时的轨道变化建立了多个模型，并通过模型的切换，反映探测器的运动规律。但仍存在很多不足：(1)状态模型的切换与实际的模型有误差，滤波器对模型自身精度自适应能力低，模型精度变化时，滤波器并不能跟踪这种变化，导致不能保证最终的滤波精度；(2)滤波器对量测噪声的自适应能力低，这是因为使用的量测信息是通过纯天文几何解算得到的位置信息，而不是直接的天文量测量，导致滤波器中的量测噪声协方差阵不只是测量仪器的量测噪声方差，还存在其他各种计算误差，而这些误差会受到测量误差、导航恒星之间及其与探测器之间的几何关系和探测器相对太阳、火星的距离等多种因素的影响，这些因素使得量测噪声协方差阵不是一个定常矩阵，导致滤波器不能实时跟踪量测噪声的变化。

综上，由于目前借力飞行轨道上深空探测器导航信息的确定常用纯天文几何解析方法单独导航定位，而且不同状态模型精度不同，模型自身精度也在不断变化，导致导航精度低；且由于纯天文几何解析方法精度受量测噪声影响大，导致滤波方法不能实时跟踪量测噪声的变化，不能保证导航精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服纯天文几何解析方法、传统滤波方法、以及现有二者结合的方法的不足，利用星光角距和纯天文解析方法解算得到的位置信息，通过模糊多模自适应UKF方法进行导航系统参数的估计，提供了一种精度高、自适应能力强的借力飞行轨道上深空探测器的导航方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：针对借力飞行轨道上的深空探测器，根据距离行星的远近建立相应的状态方程，利用星敏感器敏感的星光角距和用纯天文几何解析方法解算得到的位置信息，通过一种模糊多模自适应UKF(FMMUKF)方法进行导航系统参数的估计。

具体包括以下步骤：

1.通过判断深空探测器距离行星的远近，分别建立借力飞行轨道上深空探测器的导航系统第一状态方程和第二状态方程；若深空探测器在天体影响球之外，建立基于四体轨道动力学模型的第一状态方程为若深空探测器在天体影响球之内，建立基于二体受摄轨道动力学模型的第二状态方程式中，分别为两个模型状态变量的微分项，f₁(X，t)、f₂(X，t)分别为两个模型的非线性连续状态转移函数，w₁(t)、w₂(t)分别为两个状态模型的噪声。

2.建立以星光角距和纯天文几何解析解算得到的位置信息为量测量的量测方程为：