[发明专利]小天体探测器间协同导航方法

权利要求书

1.小天体探测器间协同导航方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：建立小天体探测动力学模型；

步骤1实现方法为，

探测器在太阳引力场下在太阳系中运动，满足开普勒二体方程；日心惯性坐标系中小天体的动力学模型如公式(1)所示：

式中，r_A和v_A分别为小天体在日心惯性坐标系下的位置和速度矢量，μ_s为太阳引力常数，W_A为高斯白噪声，为了尽可能精确地建立探测器在日心惯性坐标系下的动力学模型，摄动项考虑了太阳光压摄动影响和探测器推力因素，故探测器在日心惯性坐标系下的协同探测动力学模型表达式如公式(2)所示：

式中r_i和v_i分别为第i个探测器在日心惯性坐标系下的位置和速度矢量，μ_A为小天体引力常数，C_R为探测器表面的反射系数，S_srp为太阳辐射光压因子，m_i为第i个探测器的质量，k为推力系数，T_i表示施加到第i个探测器的推力，a表示其他未建模加速度，W_i为系统噪声；

步骤2：分别建立光学相机测量模型和探测器间测量模型，融合光学测量的角位置信息和探测器间的相对距离和速度信息，得到小天体探测协同导航测量模型；

步骤2实现方法为，

根据小天体探测实际任务需求，光学相机用于测量探测器到小天体质心或者地表特征点的视线角作为测量信息，选择小天体质心的角位置作为光学相机测量量，建立光学相机测量模型如公式(3)所示：

式中和φ_i分别表示第i个探测器测量的方位角和俯仰角，和υ_φi分别代表第i个探测器测量的方位角和俯仰角的测量噪声；

探测器间的测量信息主要通过无线电传感器测量实现，测量协同探测器之间的基线信息，即两个探测器在小天体固连坐标系下的相对距离d_ij和相对速度w_ij；根据多普勒原理，探测器间测量模型如公式(4)和(5)所示：

式中，x_i,y_i,z_i分别代表探测器i在小天体固连坐标系下的位置矢量分量，x_j,y_j,z_j代表探测器j在小天体固连坐标系下的位置向量分量，c是光速，t_s是无线电信号的传播时间；v_ix,v_iy,v_iz分别是小天体固连坐标系下探测器i的速度矢量的分量，v_jx,v_jy,v_jz是小天体固连坐标系下探测器j的速度矢量的分量，λ是波长，f_d是多普勒频移；

至此得到小天体探测器间协同导航测量模型如公式(6)所示：

式中，x表示状态矢量，即协同测量探测器的位置和速度，h(x)表示量测方程，R_z表示协同探测模型测量误差；

步骤3：根据步骤2得到的协同导航测量模型，通过分析导航系统可观测性推导并建立可观测度优化指标，并通过观测度优化指标评价导航系统的可观性，并优化得到最优导航测量信息；

步骤3实现方法为，

导航系统的可观测性定义为当前时刻系统输出量确定系统状态的可能性，从状态的识别能力方面反映了系统的内在特性；对于线性系统，如果系统的可观测性矩阵满秩，则判定导航系统是可观测的；可观测性矩阵的秩表示着可观测状态的数目；由于状态方程和量测方程的非线性，为了分析深空自主导航系统的可观测性，从非线性系统出发，结合微分几何理论给出非线性系统的可观测性矩阵；可观测性矩阵表达式如公式(7)所示：

式中n为状态矢量x的维数，f表示状态方程，根据公式(2)得状态方程表达式如公式(8)所示：

公式(7)中dLⁱ_fh(x)表示h沿f的各阶李导数，具体表达式如公式(8)所示：

对于非奇异阵M的条件数表达式如公式(9)所示：

式中，σ_max和σ_min分别为矩阵M的最大奇异值和最小奇异值；导航系统可观测度的表达式如公式(11)所示：

探测器A在t_k位置矢量为r_1,k，则探测器B在t_k时刻的位置r_2,k如公式(12)所示：

式中，R_r为探测器A到探测器B的距离，和θ_r分别为探测器B相对于A的仰角和方位角；

根据探测器A的运行轨迹，基于探测器B在不同时间的状态来唯一地描述导航系统在不同时刻的可观测度；因此，探测器B相对于探测器A的距离，仰角和方位角作为优化变量；为了表征导航的总体性能，定义性能指标如公式(13)所示：

根据公式(13)中的性能指标即能够优化得到最优导航测量信息；

步骤4：根据步骤3中得到的优化测量信息，结合步骤1中的动力学模型和步骤2中的协同导航测量模型，采用导航滤波方法即实现探测器状态的精确估计，提高协同探测自主导航精度。

2.如权利要求1所述的小天体探测器间协同导航方法，其特征在于：步骤4所述的导航滤波方法选非线性滤波方法。