專利名稱：一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于深空探測器的制導、導航與控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種著陸深空天 體探測器的降維自主導航方法。
背景技術(shù)：
由于深空天體與地球之間的遠距離，基于地面深空網(wǎng)的導航很難滿足深空著陸 GNC系統(tǒng)對探測器狀態(tài)實時性和精度的要求，因此，自主導航就成為安全和準確地著陸深空 天體探測器的一項關(guān)鍵技術(shù)。深空著陸探測器自主導航一般采用的方法是測距儀獲取的 高度和測速儀獲取的本體系速度作為觀測量，利用擴展卡爾曼濾波修正慣性導航的位置和 速度誤差。對于這種導航方法，盡管所有軌道參數(shù)都是能觀的，但是由于一些軌道參數(shù)(除 了徑向的兩維位置)的能觀度較低，在導航模型誤差和測量噪聲特性不確定的影響下，這 些能觀度較低的軌道參數(shù)不但不收斂，還可能發(fā)散，影響自主導航算法的穩(wěn)定性和關(guān)鍵導 航參數(shù)的估計精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，該方法能 夠保證自主導航濾波的穩(wěn)定性和提高關(guān)鍵導航參數(shù)的收斂速度和估計精度。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，它包括 以下步驟(1)利用陀螺測量的姿態(tài)角速度以及加速度計測量的速度增量和軌道初值，確定 當前時刻探測器相對慣性坐標系的姿態(tài)以及位置和速度初值；(2)利用測距測速儀測量得到的視線距離確定探測器相對天體中心的距離；(3)利用測距測速儀測量得到的速度以及測距測速儀三個測速波束安裝指向確定 探測器相對慣性坐標系的三維速度；(4)構(gòu)建導航系統(tǒng)的狀態(tài)量、狀態(tài)方程、觀測量、觀測方程和測量噪聲方差陣；(5)測量噪聲方差陣的無量綱化處理和導航參數(shù)能觀度的確定；(6)采用分解變換方法處理測量噪聲方差陣、觀測方程、觀測量和觀測矩陣，使之 適合采用星上可以實現(xiàn)的基于UD協(xié)方差分解的濾波算法；(7)根據(jù)步驟(6)確定的觀測方程、觀測量和觀測矩陣，采用UD協(xié)方差分解的擴展 卡爾曼濾波確定探測器相對天體中心的距離和速度。所述的步驟(1)中確定當前時刻探測器相對慣性坐標系的姿態(tài)以及位置和速度 初值的具體步驟為采用探測器上的陀螺測量探測器姿態(tài)角速度^，根據(jù)前一時刻、的探測器 慣性姿態(tài)四元素H= [Q1 Q2 Q3 q4]T(初始慣性姿態(tài)四元素利用著陸過程開始前的星 敏感器測量數(shù)據(jù)確定)，確定當前時刻t的探測器本體坐標系與慣性系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換陣
權(quán)利要求
1.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，其特征在 于它包括以下步驟(1)利用陀螺測量的姿態(tài)角速度以及加速度計測量的速度增量和軌道初值，確定當前 時刻探測器相對慣性坐標系的姿態(tài)以及位置和速度初值；(2)利用測距測速儀測量得到的視線距離確定探測器相對天體中心的距離；(3)利用測距測速儀測量得到的速度以及測距測速儀三個測速波束安裝指向確定探測 器相對慣性坐標系的三維速度；(4)構(gòu)建導航系統(tǒng)的狀態(tài)量、狀態(tài)方程、觀測量、觀測方程和測量噪聲方差陣；(5)測量噪聲方差陣的無量綱化處理和導航參數(shù)能觀度的確定；(6)采用分解變換方法處理測量噪聲方差陣、觀測方程、觀測量和觀測矩陣，使之適合 采用星上可以實現(xiàn)的基于UD協(xié)方差分解的濾波算法；(7)根據(jù)步驟(6)確定的觀測方程、觀測量和觀測矩陣，采用UD協(xié)方差分解的擴展卡爾 曼濾波確定探測器相對天體中心的距離和速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，其特征在 于所述的步驟(1)中確定慣性坐標系的探測器位置和速度的具體步驟為采用探測器上的陀螺測量探測器姿態(tài)角速度^，根據(jù)前一時刻、的探測器慣 性姿態(tài)四元素$= [Q1 Q2 Q3 q4]T，確定當前時刻t的探測器本體坐標系與慣性系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換陣
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，其特征在 于所述的步驟O)中確定探測器相對天體中心的距離的具體步驟為利用慣性坐標系的探測器位置，確定探測器相對天體中心方向
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，其特征在 于所述的步驟(3)中確定探測器相對慣性坐標系的三維速度的具體步驟為采用探測器上的測速儀測量三個非共面波束的速度Vl，v2，V3以及測速儀三個波束安裝—,指向 Μ，Tb2' Tb3，確定探測器本體坐標系的三維速度
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，其特征在 于所述的步驟中構(gòu)建導航系統(tǒng)的狀態(tài)量、狀態(tài)方程、觀測量、觀測方程和測量噪聲方 差陣的具體步驟為選取探測器相對天體中心的徑向距離r和慣性坐標系的速度 作為狀態(tài)量
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，其特征在 于所述的步驟(5)中測量噪聲方差陣的無量綱化處理和導航參數(shù)能觀度的確定的具體步 驟為單位距離L定義為天體參考半徑，單位速度V定義為以參考半徑為半長軸的參考圓軌道上的探測器速度廠二.的測量噪聲方差陣^=t只需要對測量噪聲方差陣R進行無量綱化處理，得到無量綱化RR'LVR/LV /V —定義導航系統(tǒng)能觀度矩陣G = ZZr^1//，判斷能觀度矩陣的條件數(shù)Cond(G)是否接近1， 如果能觀度矩陣的條件數(shù)是否接近1，則執(zhí)行步驟(6)，否則執(zhí)行步驟0)。能觀度矩陣的條件數(shù)接近于1表明導航參數(shù)的能觀度高。這里的導航參數(shù)包括高度和 速度信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，其特征在 于所述的步驟(6)中解變換方法處理測量噪聲方差陣、觀測方程、觀測量和觀測矩陣的具 體步驟為測量噪聲方差陣R是對稱正定矩陣，對其進行UD分解，可以得到R = BDBt, R' = D對角矩陣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，其特征在 于所述的步驟(7)中根據(jù)上述步驟(6)確定的觀測方程ζ'、觀測量ζ' m、噪聲方差陣R' 和觀測矩陣H'，采用UD協(xié)方差分解的擴展卡爾曼濾波確定探測器相對天體中心的距離 r" = 1(1)和速度義
全文摘要
本發(fā)明屬于深空探測器的制導、導航與控制技術(shù)領(lǐng)域，具體公開一種著陸深空天體探測器的降維自主導航方法，它包括以下步驟確定當前時刻探測器相對慣性坐標系的姿態(tài)以及位置和速度初值；確定探測器相對天體中心的距離；確定探測器相對慣性坐標系的三維速度；構(gòu)建導航系統(tǒng)的狀態(tài)量、狀態(tài)方程、觀測量、觀測方程和測量噪聲方差陣；測量噪聲方差陣的無量綱化處理和能觀度的確定；采用分解變換方法處理測量噪聲方差陣、觀測方程、觀測量和觀測矩陣；采用UD協(xié)方差分解的擴展卡爾曼濾波確定探測器相對天體中心的距離和速度。本發(fā)明的方法能夠保證自主導航濾波的穩(wěn)定性和提高關(guān)鍵導航參數(shù)的收斂速度和估計精度。
文檔編號G01C21/24GK102116634SQ20091021699
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者王大軼, 黃翔宇 申請人:北京控制工程研究所