[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及在深空探测器处于捕获段时，特别涉及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，具体的，其是基于目标天体图像和X脉冲星信号修正目标天体星历误差的天文导航方法，是一种非常适用于深空探测器捕获段的导航方法。

背景技术

深空探测技术作为一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要特征与标志，已引起世界各国的极大关注。新一轮深空探测的争夺战已经拉开了序幕。21世纪初，各航天大国纷纷将目光聚焦至距离地球38万公里以外的深空宇宙。美国、欧空局、俄罗斯、日本以及印度在内的世界主要航天集团都提出了未来的深空探测计划，要对各大行星及其卫星进行载人或基于机器人的无人探测。随着我国运载火箭和其他深空探测技术的发展和经济实力的提高，我国已具备探测火星甚至更远太阳系行星的能力。

深空探测器飞行过程主要包括地球逃逸、日心转移、目标捕获、环绕、着陆、巡视探测等过程。其中捕获段是指从深空探测器进入目标影响球开始到点火制动的全过程，处于该阶段的深空探测器飞行速度快，飞行弧段短，控制精度要求高，且机会唯一。深空探测器减速制动的入轨点距离目标行星表面非常近(近地点)，被捕获是整个深空探测任务的一个关键时间节点，捕获阶段相对目标天体的相对导航精度和相对于太阳或者地球的绝对导航精度对后续探测任务有直接影响。然而深空探测器在捕获段航行速度快、空间电离环境未知、大气环境复杂，这些因素都对深空探测器的入轨精度有很大的影响，也制约着深空探测器捕获后绕飞、着陆等阶段的导航精度，当入轨精度不能达到指标要求时，甚至无法完成科学探测任务，导致整个任务的失败。

目标天体星历数据是影响深空探测器捕获段导航性能的主要因素之一。目标天体星历数据是描述目标天体位置、速度等特征的一类天体数据库，由长期天文观测拟合而成的。若一段时间没有天文观测信息进行修正，目标天体星历数据误差会随时间的递推而增加。太阳系内行星(除地球外)目前的星历误差约为200m～100km。

传统的深空探测导航方式主要为地基无线电导航，如美国的深空网，但我国由于地域等原因无法开展全天候深空无线电导航，且无线电导航存在高延迟、易受干扰等缺点。天文导 航是一种星载的全自主导航系统，基于星光角距的天文导航系统测量目标天体及其背景恒星图像信息，从而从图像中获得相对于目标天体(如火星)的导航信息。基于星光角距的天文导航方法由于受到星敏感器精度有限这一因素的影响，其获得的相对目标天体导航信息精度有限，且受到目标天体星历误差影响，由该方法获得的相对太阳导航精度低。基于X脉冲星信息的天文导航系统通过获取X脉冲星脉冲到达太阳和到达探测器的时间差来估计探测器相对与太阳的位置和速度信息。X脉冲星可以获取高精度的量测信息，但是基于X脉冲星的天文导航系统量测更新周期长，难以实现实时导航。因此如何利用这两种量测信息的特点，对目标天体的星历误差的估计以及对探测器动力学模型以及基于星光角距的量测模型进行修正，减小目标天体星历误差的影响，是深空探测段捕获段高精度导航的关键问题之一。

中国专利CN201510197935.8公开了一种基于星历修正的捕获段深空探测器自主天文导航方法，该导航方法首先建立目标天体星历误差状态模型和量测模型，并根据预测与实际天体图像的位置差获取星历误差量测量；其次将星历误差状态模型和轨道动力学模型联立作为天文导航系统状态模型，并将星历误差量测模型和星光角距量测模型作为天文导航系统的量测模型，采用Unscented卡尔曼滤波方法，估计探测器位置、速度和目标天体星历误差，并将所估计的星历误差反馈至状态模型中，修正目标天体星历数据，获得自主校正星历误差后的相对于目标天体和相对于日心的探测器位置和速度。本发明和中国专利CN201510197935.8同样属于航天导航技术领域，可在线估计天体星历误差，修正导航系统的模型误差，适用于探测器捕获段。X脉冲星导航所使用的导航源为自然存在的X脉冲星，不受外界因素的干扰，属于完全自主的导航方法。本发明合理有效利用星光角距和X脉冲星提供的导航信息，为深空探测器捕获段提供另外一种高精度的全自主组合导航方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服星历误差对天文导航精度的影响，弥补现有方法难以消除目标天体星历误差对探测器状态模型和量测模型的影响这一不足，合理有效利用星光角距和X脉冲星提供的导航信息，为深空探测器捕获段提供一种高精度的组合导航方法。