[发明专利]一种基于可观测性分析的深空探测器自主导航方法

摘要

本发明涉及一种基于可观测性分析的深空探测器自主导航方法，属于深空探测技术领域。本方法将可观测性分析与基于光学测量的自主导航方案相结合，利用光学测量构建自主导航方案，通过可观测性分析，选取最优导航星，使得导航系统可观测性最强，以实现导航性能最优化。本发明采用光学测量手段提供导航信息，功耗低、精度高、自主性强；结合可观测性分析对导航星进行选择，使得导航系统可观测性最强，保证导航性能；利用非线性滤波器进行导航滤波解算，提高了导航滤波的精确性及收敛性。

主权项

1.一种基于可观测性分析的深空探测器自主导航方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：在日心惯性坐标系下建立探测器状态模型；探测器的状态矢量为位置矢量r_s＝[r_x,r_y,r_z]^T和速度矢量v_s＝[v_x,v_y,v_z]^T；考虑太阳引力、行星引力以及其他摄动力，深空探测器巡航段的状态模型建立为：x·=r·sv·s=vs-μsrsrs3-Σi=1NμMi(rMsirMsi3-rMirMi3)+a---(1)]]>其中N表示对探测器动力学模型具有影响的行星个数，μ_S和μ_Mi分别为太阳和第i颗行星的引力常数，r_Mi为第i颗行星在日心惯性坐标系中的位置矢量，a为其他未建模摄动力矢量；r_Msi为探测器相对于第i颗行星的位置矢量，满足：r_Msi＝r_s-r_Mi,i＝1,…,N   （2）将深空探测巡航段探测器的动力学模型描述为，其中x＝[r_s^T,v_s^T]^T；步骤2：建立深空探测巡航段自主导航测量模型；在可选导航星集合S中随机选取多组不同的导航星组合；每组导航星数量相同，均为M；对每组导航星组合分别建立自主导航测量模型；对任意一组导航星，其自主导航测量模型的具体建立方法为：用光学导航相机对导航星进行光学测量，得到第j颗导航星在相机坐标系中的方向单位矢量n_cj；同时通过相机安装角及探测器姿态角，确定探测器本体坐标系到相机坐标系的转移矩阵C_CB以及日心惯性坐标系到探测器本体坐标系的转移矩阵C_BI；得到n_cj的光学测量方程ncj=CCBCBIrs-rnj|rs-rnj|+ϵj,j=1,...,M---(3)]]>式中r_nj为第j颗导航星在日心惯性坐标系中的位置矢量；ε_j为第j颗导航星的测量误差矢量；进而深空探测巡航段的测量模型描述为y=[nc1T,...,ncMT]T+[ϵ1T,...,ϵMT]T=h(r)+ϵ---(4)]]>步骤3：分别计算多组导航星组合的可观测度；基于步骤1得到的非线性动力学系统及步骤2得到的多组测量模型y＝h(r)，分别计算多组导航星组合的可观测度；具体方法为：在当前状态利用Taylor级数展开，并只保留线性项：Δx.=AΔx,A=∂f(x)∂x|x=x‾Δy=CΔx,C=∂h(x)∂x|x=x‾---(5)]]>其中利用线性化动力学系统构建可观测性矩阵为Ox=x‾=[CT,ATCT,...,(AT)5CT]T---(6)]]>定义导航星组合的可观测度为D=det(Ox=x‾TOx=x‾)---(7)]]>步骤4：选取最优导航星；通过步骤2得到的可观测度，选择最优导航星，确定导航采用的最终测量模型y_final＝h_final(r)，结合导航滤波计算对探测器状态进行估计；具体方法如下：导航滤波器对导航系统的k时刻状态一步预测值为；将此一步预测值代入每组导航星组合的可观测度，取可观测度最大值所对应的导航星组合为最优导航星，即满足maxD=det(Ox=x^k|k-1TOx=x^k|k-1)subjecttornj∈S,j=1,...,M---(8)]]>利用选择的M颗最优导航星，通过深空探测巡航段的测量模型，构建出最终测量模型y_final＝h_final(r)，将其输入非线性滤波器对探测器状态进行最优估计，最终输出探测器状态信息。