[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

摘要

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。

主权项

1.一种深空探测器X射线脉冲星TOA/DTOA组合导航方法，其特征在于：利用X射线脉冲星脉冲TOA量测量获得航天器的绝对位置信息，利用DTOA量测量获得航天器的相对位置信息；根据轨道动力学建立航天器的状态模型，分别建立脉冲TOA量测模型及DTOA量测模型，离散化后使用UKF滤波，为深空探测器提供高精度的导航信息，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：表示第i颗脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间，表示第i颗脉冲星脉冲到达航天器的时间，r_S表示航天器相对太阳系质心的位置矢量，||r_S||²及||r_S||³分别表示||r_S||的平方及立方，c表示光速，nⁱ表示第i颗脉冲星在惯性系下的方向矢量，表示第i颗脉冲星到太阳系质心的距离，b表示太阳系质心相对太阳的位置矢量；设脉冲TOA量测量可建立脉冲TOA量测模型的表达式：其中h₁(·)表示脉冲TOA的非线性连续量测函数，v₁(t)表示t时刻脉冲TOA的量测噪声；③建立DTOA的量测模型将前后时刻的脉冲TOA进行差分，得到DTOA量测量，并建立DTOA的量测模型：其中τⁱ(t)表示第i颗脉冲星在t时刻的DTOA，及分别表示第i颗脉冲星在t时刻及t‑1时刻脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间，及分别表示第i颗脉冲星在t时刻及t‑1时刻脉冲星脉冲到达航天器的时间；把DTOA作为量测量Z₂＝[τⁱ(t)]，可建立DTOA量测模型的表达式：Z₂＝[τⁱ(t)]＝h₂[X(t),X(t‑1)]+v₂(t)  (6)其中h₂(·)表示DTOA的非线性连续量测函数，v₂(t)表示t时刻DTOA的量测噪声；用t‑1时刻的后验状态估计代替X(t‑1)，则DTOA量测模型的表达式可写为：Z₂＝h₂[X(t),t]+v₂(t)  (7)④进行离散化及滤波设导航系统的量测量Z＝[Z₁,Z₂]^T，量测噪声V＝[v₁,v₂]^T，可建立导航系统量测模型：Z＝h[X(t),t]+V(t)  (8)其中h(·)表示导航系统的非线性连续量测函数；对式获得的状态模型及式获得的量测模型进行离散化：其中X_k及Z_k分别表示k时刻系统的状态量及量测量，F(X_k‑1,k‑1)为f(X(t),t)离散后的非线性状态转移函数，H(X_k,k)为h[X(t),t]离散后的非线性量测函数，W_k及V_k分别表示w(t)及V(t)离散后的等效噪声；对离散化后的系统模型式通过UKF进行滤波，获得惯性系下航天器相对太阳的后验状态估计以及后验误差协方差其中分别为第k时刻航天器相对太阳的位置、速度后验估计；将及输出，同时将及返回滤波器，用于获得k+1时刻的输出。