[发明专利]一种近地停泊轨道上深空探测器的自主天文导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及天文导航的技术领域，具体涉及一种深空探测器在近地停泊轨道上的自主天文导航方法，可用于在近地停泊轨道上深空探测器导航参数的精确确定。

背景技术

深空是相对于近地空间而言的，是深空间的简称，目前国际上没有统一的定义。据《中国大百科全书航空航天卷》，深空是指距地球等于或大于地月平均距离(约38万公里)的空间，深空探测是指发射航天器在深空对地外天体或空间进行探测的活动。决定深空探测成败的关键技术之一为深空导航，其作用为确定探测器在深空飞行中的瞬时位置和速度。深空导航主要包括非自主的地面无线电导航和自主导航，其中非自主地面无线电导航主要包括无线电测速测距、无线电甚长基线干涉测角等，该方法充分利用地面资源，可全面满足近地空间和月球空间导航任务的需要，但该方法存在通信时延、无线电不可测弧段、导航能力与导航精度随探测距离的增加而降低、在不可测弧段导航数据不连续等问题，增加了工程任务成功的技术风险。自主导航能够使航天器在不依赖地面的条件下自主完成轨道确定、轨道保持等任务，具有极其重要的工程实用价值和军事战略意义。目前实现连续自主、实时高精度深空导航的主要方法是自主天文导航。

深空探测器从发射升空到最终进入目标轨道，基本上可以分为三个飞行阶段，即近地停泊轨道段、转移轨道段和绕飞(或着陆)轨道段。其中位于近地停泊轨道上的探测器距离地球最近，地平方向是其导航最重要的观测量，根据敏感地平方式的不同，近地停泊轨道上深空探测器的自主天文导航方法主要可分为两种：直接敏感地平和间接敏感地平自主天文导航方法。这两种方法通过不同的敏感地平方式获得相应的观测量，再结合轨道动力学方程和滤波方法实现探测器的自主导航，获得位置、速度等导航信息。由于星敏感器的精度要远高于地平仪的精度，因此直接敏感地平的导航方法精度较低，目前已很少单独使用。利用大气星光折射特性的间接敏感地平导航方法精度较高，但是需要准确的大气折射模型，且由于深空环境复杂，目前普遍采用的以视高度为观测量建立的量测模型并不能精确地表征深空探测器所处的实际环境，即观测过程中可能出现未知误差却无法或者不能进行建模，甚至还可能出现实际噪声已经覆盖观测量而仍旧使用观测量进行导航的情况，这些都会对系统最终的导航精度产生影响。

发明内容

发明要解决的技术问题是：克服传统星光大气折射模型密度标尺高度H取固定值的不足，以及目前普遍采用的量测模型的不足，利用“1976美国大气标准”给出的数据进行建模和拟合，通过对扩展卡尔曼滤波参数进行相应的改进来适应新的量测模型，提供了一种精度高、自适应能力强的地停泊轨道上深空探测器的自主天文导航方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：针对近地停泊轨道上的深空探测器，跟据“1976美国大气标准”给出的数据建立平流层内连续高度(20km～50km)密度标尺高度H的动态方程并以此建立星光大气折射模型，以相邻时刻视高度之差为观测量建立新的量测模型，通过对扩展卡尔曼滤波参数进行相应的改进进行导航系统参数的估计。

具体包括以下步骤：

步骤一、建立近地停泊轨道上深空探测器的状态方程：式中状态矢量X(t)＝[x,y,z,v_x,v_y,v_z]^T包括探测器在地心赤道惯性坐标系中的三轴位置x，y，z和探测器在地心赤道惯性坐标系中的三轴速度v_x，v_y，v_z；为系统状态的微分项，f[X(t),t]为系统的非线性连续状态转移函数，w(t)为系统噪声，t为时间；

步骤二、建立星光大气折射模型；

首先利用“1976美国大气标准”给出的数据对大气压强p和大气温度T进行建模以及拟合获得相应的模型，再利用理想气体的状态方程ρ＝p/kT对大气密度进行建模和拟合，获得大气密度模型，其中k＝287，为气体常数；通过“1976美国大气标准”给出的数据对密度标尺高度H建模，列出H与所处高度h的关系方程H(h)＝C₀+C₁h+C₂h²，再利用给出的数据对H进行拟合解出C₀，C₁和C₂；把ρ和H带入公式即得星光大气折射模型，其中k(λ)为散射参数；

步骤三、建立普遍采用的以视高度h_a为观测量的量测模型为：