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专利名称：一种基于天体表面特征和天然卫星路标的环绕段导航方法
技术领域：
本发明涉及一种基于天体表面特征和天然卫星路标的环绕段导航方法，属于深空探测自主导航领域。
背景技术：
深空天体环绕探测是对目标天体长期、抵近和全面观测的重要手段。受到携带推进剂总量的限制，深空天体探测器经过行星际飞行抵达目标天体后，并不能直接制动和进入环绕目标天体的圆形轨道，而是运行在大椭圆轨道上。由于大椭圆轨道受天体摄动的影响较为复杂，因此探测器的轨道确定(导航)成为深空环绕探测的一项重要技术。目前为止，国外深空大天体环绕探测器的轨道确定还主要依靠地面测控网或深空网进行。这种方法的成本和代价很大，对测控站的全球布局、测量精度等提出了很高的要求，实时性也不易保证。而自主导航则是弥补这些缺陷的一种良好的技术手段。但是深空探测的自主导航目前还只在转移段或者着陆段进行了验证。但在方法层面上，国内外研究人员还是对深空环绕段的自主导航技术进行了大量的研究。包括依靠目标天体视半径和视线方向测量的方法，以及以天体表面特征地形为路标的方法等。但这些方法都存在各种缺陷，难以工程应用。例如，基于目标天体视半径和视线方向测量的方法依赖于大视场的光学敏感器，它只能应用在轨道高度较高的圆形环绕轨道上，而且容易受到目标天体光照条件的影响。而基于天体表面路标点的方法适用于距离目标天体很近的环绕轨道弧段，但它依赖于大量、详细的目标天体局部地形数据或影像资料。而这恰恰是深空目标抵近探测前所缺乏的。除此以外，由于目标天体相对太阳运动，再加上探测器飞行轨道的限制和目标天体天气条件的影响，可供选择的天体表面路标点会进一步减少，这大大增加了该方法实现的困难。

发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，针对深空环绕探测器往往运行于大椭圆轨道的特点，提供了一种将目标天体的天然卫星和它表面的特征地形作为路标配合使用的新方法。在轨道高度较高时以天然卫星和目标天体表面大型和明显的地貌作为路标，在轨道高度较低时以天体局部地形作为路标。扩大了路标的选择范围，提高了信息量，增加了可观测弧段，提高了自主导航的适应能力和精度。本发明所采用的技术方案为一种基于天体表面特征和天然卫星路标的深空探测环绕段自主导航方法，探测器运行于环绕目标深空天体的大椭圆轨道，探测器上装备有IMU(包含陀螺和加速度计)、星敏感器和光学导航相机。实现步骤如下(I)陀螺和星敏的惯性姿态估计利用前一个采样周期内陀螺测量的角速度对当前时刻的探测器惯性姿态进行外推；然后利用星敏获得的光轴惯性指向测量，使用卡尔曼滤波对陀螺外推惯性姿态的误差进行估计；最后用误差的估计值修正陀螺预估的惯性姿态，获得最终的惯性姿态估计；
(2)利用加速度计测量的位置、速度外推在陀螺测量的同时，使用加速度计获得探测器非引力加速度的测量值，利用已获得的惯性姿态估计值将它转化到惯性坐标系中；然后根据轨道动力学模型，对探测器的位置和速度进行外推； (3)路标点信息的获取使用探测器上安装的光学导航相机按照一定拍摄序列对可能的路标点进行拍照，路标点的选择包含了天体表面的已知位置的特征地貌和天体的天然卫星；路标点根据轨道高度、光照条件事先选择，并列入观测序列，一般来说轨道较高时选择天然卫星和目标天体大型特征地貌，轨道较低时选择天体局部地形；最后，从导航图像上提取出路标点的像素坐标，传递给导航滤波器；(4)基于路标的探测器位置、速度的估计基于步骤(2)中外推的探测器位置、速度对路标点的图像坐标进行预报；将实际获得的路标点像素坐标与预报值进行比对，构成测量新息；然后使用扩展卡尔曼滤波对预测的探测器位置、速度进行修正，得到最终的探测器位置、速度估计值。(5)对每一个控制周期重复(I) (4)的步骤，完成导航解算。所述方法同时将天体表面特征和天然卫星均作为导航路标，在轨道高度高于天然卫星轨道时以天然卫星和天体表面大型地貌为路标，在轨道低于天然卫星轨道时以天体局部地形为路标，导航滤波解算过程中路标点的数量可变。本发明与现有技术相比的优点在于本发明将深空天体的天然卫星也扩展为自主导航的路标点，从而增加了可供选择的路标点的种类，降低了对目标天体表面局部特征地形先验知识的需求，减少了地面选择和确定路标点的困难。而且针对深空环绕段大椭圆轨道上探测器距目标天体高度变化很大的特点，在环绕轨道的近点附近主要使用天体特征地形为路标，在环绕段的远点附近将天然卫星与天体表面明显的地貌结合使用，提高了导航方法对深空大椭圆环绕轨道的适应能力。


图1是深空环绕段基于路标的自主导航系统框图；图2是以火星为代表的深空环绕段以天体表面特征和天然卫星作为路标的导航方法原理；图3是深空环绕段不同时间点所选择的路标类型；图4是深空环绕段导航位置误差变化曲线；图5是深空环绕段导航速度误差变化曲线。
具体实施例方式探测器运行于环绕目标深空天体的大椭圆轨道，探测器上装备有MU(包含陀螺和加速度计)、星敏感器和光学导航相机。如图1所示，本发明具体计算过程如下第一步，进行陀螺+星敏的探测器姿态估计(I)陀螺测量
设当前时刻为tk，上一次采样时刻为V1，那么陀螺可以获得在[tk+tj时间段内的探测器角度增量Agb,上标b表示探测器的本体坐标系(Ob-XbYbZb),该坐标系固联在探测器上，原点与探测器质心重合，三个轴平行于探测器惯量主轴。角度增量除以采样时间间隔就可以获得该段时间内的探测器平均角速度的测量值。
权利要求
1.一种基于天体表面特征和天然卫星路标的环绕段导航方法，其特征在于实现步骤如下 (1)陀螺和星敏感器的惯性姿态估计 利用前一个采样周期内陀螺测量的角速度对当前时刻的探测器惯性姿态进行外推；然后利用星敏感器获得的光轴惯性指向测量，使用卡尔曼滤波对陀螺外推惯性姿态的误差进行估计；最后用误差的估计值修正陀螺预估的惯性姿态，获得最终的惯性姿态估计； (2)利用加速度计测量的位置、速度外推 在陀螺测量的同时，使用加速度计获得探测器非引力加速度的测量值，利用已获得的惯性姿态估计值将它转化到惯性坐标系中；然后根据轨道动力学模型，对探测器的位置和速度进行外推； (3)路标点信息的获取 使用探测器上安装的光学导航相机按照一定拍摄序列对可能的路标点进行拍照，路标点的选择包含了天体表面的已知位置的特征地貌和天体的天然卫星；路标点根据轨道高度、光照条件事先选择，并列入观测序列；最后，从导航图像上提取出路标点的像素坐标，传递给导航滤波器； (4)基于路标的探测器位置、速度的估计 基于步骤(2)中外推的探测器位置、速度对路标点的图像坐标进行预报；将实际获得的路标点像素坐标与预报值进行比对，构成测量新息；然后使用扩展卡尔曼滤波对预测的探测器位置、速度进行修正，得到最终的探测器位置、速度估计值； (5)对每一个控制周期重复(I) (4)的步骤，完成导航解算。
2.根据权利要求1所述的基于天体表面特征和天然卫星路标的环绕段导航方法，其特征在于所述方法同时将天体表面特征和天然卫星均作为导航路标，在轨道高度高于天然卫星轨道时以天然卫星和天体表面大型地貌为路标，在轨道低于天然卫星轨道时以天体局部地形为路标，导航滤波解算过程中路标点的数量可变。
全文摘要
一种基于天体表面特征和天然卫星路标的环绕段导航方法，在进行导航过程中，首先由陀螺和星敏感器进行惯性姿态估计；根据加速度计测量，结合惯性姿态估计值，利用动力学方程进行探测器位置、速度外推；接下来，以一定间隔，利用导航相机按照序列对若干路标进行拍摄，识别出路标点的图像坐标，路标点的可选范围包括深空天体表面的已知地貌和天体的天然卫星，观测序列根据不同轨道高度和光照条件制定；以路标点的图像坐标作为测量，以外推的探测器位置、速度为基�。褂美┱箍ǘ瞬ü兰撇⑿拚讲馄魑恢�、速度；重复上述步骤，完成导航解算。本发明扩大了环绕段光学导航路标点选择的范围，提高了导航系统的灵活性和精度。
文档编号G01C21/24GK103017773SQ20121051645
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者李骥, 王大轶, 黄翔宇, 李茂登, 褚永辉 申请人:北京控制工程研究所