[发明专利]小天体探测器间协同导航方法

说明书

本发明公开的小天体探测器间协同导航方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：建立小天体探测动力学模型，包括深空探测小天体的动力学模型和小天体探测协同探测器动力学模型。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。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，通过观测度优化指标评价导航系统的可观性，优化得到最优协同导航测量信息。根据小天体探测动力学模型、协同导航测量模型和优化之后的测量信息，采用导航滤波方法实现探测器状态的精确估计，提高协同探测自主导航精度。本发明能为深空探测协同导航信息优化提供支持。

技术领域

本发明涉及小天体探测器间协同导航方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

小天体探测是人类了解宇宙和太阳系的形成和演化、探索生命起源的主要途径。由于小天体距离地球遥远，采取地面站测控通信的传统导航方式具有较大的通信时延，难以满足小天体探测任务实时性和精度的要求，因此，自主导航技术成为小天体探测的主要导航方式。

自主光学导航是小天体探测的主要导航方式。自主光学导航一般通过光学相机拍摄小天体图像，然后测量探测器到小天体中心或地表特征点的视线(LOS)信息，从而实现探测器状态确定。仅采用相机作为导航测量敏感器的导航系统由于缺少径向距离测量信息，同时视线角测量变化范围小，导致导航系统可观性较差。因此，当探测器初始状态偏差或相机测量偏差较大时导航精度较差。

随着星上计算能力的提升和计算机视觉的发展，使得协同工作的探测器能够通过处理视觉图像等测量信息，统一各自的导航坐标系，实现协同导航。对于小天体探测，考虑任务需求和实施的可行性，基于主从探测器相对测量的协同导航方法是重要的研究方向。协同导航方法可以在不测量探测器与小天体中心或地表特征点之间相对距离的情况下进行，通过引入探测器之间的相对测量信息，实现导航系统精度的提升。与此同时，导航系统的可观性是影响导航精度的关键因素之一。对于小天体探测协同导航，由于两个探测器的状态未知，可用的测量信息较少，探测器之间的导航测量信息极大地影响了导航系统的可观性和精度，因此有必要通过优化协同导航测量信息提高导航精度。

发明内容

针对小天体探测协同导航系统估计精度受导航测量信息影响大的问题，本发明公开的小天体探测器间协同导航方法要解决的技术问题是：在自主光学导航方法的基础上，引入无线电测量探测器间的相对距离和速度信息，通过分析导航系统可观测性推导可观测度优化指标，评价导航系统的可观性，实现协同导航测量信息合理规划，最终提高协同导航系统的可观性和精度。本发明为深空探测协同导航信息优化获取提供技术支持，提高小天体探测自主导航精度，解决相关技术问题。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的小天体探测器间协同导航方法，建立小天体探测动力学模型，包括深空探测小天体的动力学模型和小天体探测协同探测器动力学模型。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。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，并优化得到最优协同导航测量信息。根据小天体探测动力学模型、协同导航测量模型和优化之后的测量信息，采用导航滤波方法实现探测器状态的精确估计，提高协同探测自主导航精度。

本发明公开的小天体探测器间协同导航方法，包括如下步骤：

步骤1：建立小天体探测动力学模型。

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：