[发明专利]面向编队飞行的太阳TDOA量测方法及组合导航方法

说明书

本发明公开面向编队飞行的太阳TDOA量测方法及组合导航方法，包括建立太阳TDOA量测模型如下，对编队飞行中的探测器执行建立面向编队飞行的轨道动力学模型，建立火星方向量测模型，建立星间链路测距模型；采用扩展卡尔曼滤波器EKF作为导航滤波器，利用星敏感器获得天体方位信息、星间链路测量值以及在太阳径向方向上的相对距离，结合编队飞行的探测器轨道动力学模型，在EKF作用下，获得估计的探测器的位置和速度信息。本发明提出了一种面向编队飞行的太阳TDOA量测技术方案，能提供在径向方向上的相对位置信息；本发明充分利用了多种导航量测信息，能在整个太空内为编队飞行航天器提供更高精度的绝对和相对导航信息。

技术领域

本发明属于航天器自主导航领域，特别涉及基于天文测向测距信息的编队飞行自主导航技术方案。

背景技术

编队飞行是航天技术中的新领域。编队飞行可以增加冗余备份，降低成本，提供多点平台。在深空探测编队飞行领域，绝对和相对导航精度都是十分重要的，特别是相对导航精度。

深空探测自主导航常利用太阳的量测信息来进行导航，包括测角、测速和测距。太阳测角导航利用太阳的方位矢量作为量测信息，该方法最传统，但探测器离太阳距离遥远导致测量精度低，难以满足深空探测中精度的要求。太阳测速导航是利用光学多普勒效应的频移量来预估探测器相对于太阳的速度，再积分得到位置信息。该方法可以直接、实时获得速度信息，但太阳光源不稳定，未能有效利用光源。太阳测距导航只能用在捕获段，不符合火星环绕段的导航要求。

以上三种方法各有优势。已有学者将他们进行组合，如：吴伟仁、马辛、宁晓琳等提出了小行星测角和x射线脉冲星测距的组合导航。熊凯将脉冲星导航和星间链路这两者相结合，可以提高相对导航精度，但是相对导航精度还是有限，有待提高。

发明内容

本发明提出了一种全新的太阳TDOA量测及其组合新方法，在该方法中通过编队飞行的探测器接收光子到达时间之差来预估探测器在太阳径向方向上的相对距离。以探测器在太阳径向方向上的相对距离、火星方位矢量、探测器的星间链路作为量测量，结合轨道动力学模型，利用扩展卡尔曼滤波器来获得高精度、实时的航天器导航信息。该方法满足环火段的导航精度要求，可以为其他天体探测提供参考依据，对自主导航系统设计也具有参考价值。

本发明所采用的技术方案提供一种面向编队飞行的太阳TDOA量测方法，包括建立太阳TDOA量测模型如下，

Z₁(t)＝h₁[X(t),t]+V₁(t) (式一)

其中，Z₁(t)为探测器在太阳径向方向上相对距离的测量值，V₁(t)为测量噪声，h₁[X(t),t]是测量方程，X(t)是探测器的状态矢量，t是时间，TDOA表示编队飞行的探测器测量的光子到达时间之差；

其中，c是真空中的光速，|r₁|和|r₂|分别是两个探测器在太阳径向方向上的距离，表示为，

c(t₁-t₀)＝|r₁| (式三)

c(t₂-t₀)＝|r₂| (式四)

其中，t₀是光子从太阳表面发出的时刻，t₁和t₂分别是光子到达编队飞行的两探测器时间。

本发明还提供一种根据上述面向编队飞行的太阳TDOA量测方法实现的组合导航方法，对编队飞行中的两个探测器执行包括以下步骤，

步骤B1，建立面向编队飞行的轨道动力学模型，