[发明专利]一种深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法

说明书

本发明涉及一种深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法。首先根据轨道动力学建立航天器的状态模型，利用X射线脉冲星探测器获得脉冲TOA(Time Of Arrival到达时间)量测量，提供航天器的绝对位置信息，将脉冲TOA进行时间差分获得脉冲DTOA(Differential Time Of Arrival差分到达时间)量测量，提供航天器的相对位置信息。之后根据这些量测量分别建立脉冲TOA量测模型及脉冲DTOA量测模型。离散化后使用UKF滤波估计航天器的位置和速度。本发明属于航天器自主导航领域，可为深空探测器提供高精度的导航信息，对航天器自主导航具有重要的实际意义。

技术领域

本发明属于航天器自主导航领域，涉及一种基于脉冲TOA(Time Of Arrival到达时间)及DTOA(Differential Time Of Arrival差分到达时间)量测量的自主天文导航方法。

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。对于深空探测任务而言，导航精度对于任务的成败有着重要影响。目前主要通过地面测控站为航天器提供导航信息。随着航天器与地球之间距离的增加，通过地面测控站进行信号传输的双程时延将越来越大。另外，日凌将造成信号中断。因此，需要提高航天器的自主导航能力。

X射线脉冲星导航可以为航天器提供高精度的定位信息，且导航精度不受航天器与天体间位置的影响。但是，由于当前的测量水平有限，存在脉冲星角位置误差及星载原子钟钟差，将影响这种方法的导航精度。通过对脉冲TOA量测量进行时间差分，可以有效减弱上述误差对导航精度的影响。然而，通过时间差分后，仅能提供航天器的相对位置信息。

发明内容

本发明提出一种深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法，利用X射线脉冲星脉冲TOA量测量提供绝对位置信息，利用DTOA量测量减弱系统误差的影响，提供相对位置信息。将两种量测量通过UKF滤波组合，为深空探测器提供高精度的导航信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：根据轨道动力学建立航天器的状态模型，利用X射线脉冲星探测器获得脉冲TOA量测量，并建立脉冲TOA量测模型。将脉冲TOA进行时间差分，得到DTOA量测量，并建立DTOA量测模型。离散化后使用UKF滤波估计航天器的位置和速度。

具体包括以下步骤：

1.建立基于轨道动力学的系统状态模型

将航天器在火星接近段的运动描述为以太阳为中心天体的受摄三体模型，将其他扰动视为过程噪声。在太阳中心惯性坐标系(J2000.0)下的动力学模型可写为：

其中||·||表示矢量的2范数，r和v是航天器相对太阳的位置和速度。μ_s和μ_m分别是太阳和火星的引力常数，r_m是火星相对太阳的位置矢量，r_sm＝r-r_m是航天器相对火星的位置矢量。w是各种扰动造成的过程噪声。可由上式得到状态模型如下：

其中状态量X＝[r,v]^T为航天器在太阳惯性坐标系下的位置及速度，为状态量X的导数，为时刻t的f(X(t),t)为系统非线性连续状态转移函数，w为过程噪声，w(t)为时刻t的w。

2.建立脉冲TOA的量测模型

利用X射线脉冲星探测器获得脉冲TOA量测量，以脉冲TOA作为量测量建立量测模型：