專利名稱：：一種借力飛行軌道上深空探測器的自主天文導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種深空探測器在借力飛行軌道上的導(dǎo)航方法，可用于在多天體交會(huì)借力飛行軌道上深空探測器導(dǎo)航參數(shù)的精確確定。
背景技術(shù)：
：借力飛行軌道不同于自由飛行軌道，它利用第二引力體來改變探測器相對(duì)中心引力體的能量，從而改變探測器速度的大小或方向，以節(jié)省發(fā)射能量，用較小的初始速度，在沒有任何動(dòng)力消耗的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器的加速，完成探測任務(wù)，甚至可以實(shí)現(xiàn)目前利用運(yùn)載火箭搭載的探測器所無法實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離探測任務(wù)。借力飛行軌道雖然具有要求的發(fā)射能量小，一次發(fā)射可實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)很復(fù)雜，探測器在借力時(shí)軌道變化很快，其軌道模型難以精確建立。目前常用的純天文幾何解析方法可以通過在探測器上觀測的天體方位信息和近天體的位置信息，確定探測器的姿態(tài)和位置信息，但是不能直接獲得探測器的速度信息，而且計(jì)算得到的位置信息的精度受量測噪聲的影響較大。雖然軌道精度可以滿足軌道初始設(shè)計(jì)與任務(wù)驗(yàn)證的要求，但是對(duì)導(dǎo)航濾波則是不夠的，會(huì)導(dǎo)致濾波發(fā)散，帶來巨大的導(dǎo)航誤差?，F(xiàn)有的借力飛行軌道上的深空探測器純天文幾何解析方法與濾波方法的結(jié)合可以解決系統(tǒng)模型的問題，對(duì)探測器在借力時(shí)的軌道變化建立了多個(gè)模型，并通過模型的切換，反映探測器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但仍存在很多不足(l)狀態(tài)模型的切換與實(shí)際的模型有誤差，濾波器對(duì)模型自身精度自適應(yīng)能力低，模型精度變化時(shí)，濾波器并不能跟蹤這種變化，導(dǎo)致不能保證最終的濾波精度；(2)濾波器對(duì)量測噪聲的自適應(yīng)能力低，這是因?yàn)槭褂玫牧繙y信息是通過純天文幾何解算得到的位置信息，而不是直接的天文量測量，導(dǎo)致濾波器中的量測噪聲協(xié)方差陣不只是測量儀器的量測噪聲方差，還存在其他各種計(jì)算誤差，而這些誤差會(huì)受到測量誤差、導(dǎo)航恒星之間及其與探測器之間的幾何關(guān)系和探測器相對(duì)太陽、火星的距離等多種因素的影響，這些因素使得量測噪聲協(xié)方差陣不是一個(gè)定常矩陣，導(dǎo)致濾波器不能實(shí)時(shí)跟蹤量測噪聲的變化。綜上，由于目前借力飛行軌道上深空探測器導(dǎo)航信息的確定常用純天文幾何解析方法單獨(dú)導(dǎo)航定位，而且不同狀態(tài)模型精度不同，模型自身精度也在不斷變化，導(dǎo)致導(dǎo)航精度低；且由于純天文幾何解析方法精度受量測噪聲影響大，導(dǎo)致濾波方法不能實(shí)時(shí)跟蹤量測噪聲的變化，不能保證導(dǎo)航精度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服純天文幾何解析方法、傳統(tǒng)濾波方法、以及現(xiàn)有二者結(jié)合的方法的不足，利用星光角距和純天文解析方法解算得到的位置信息，通過模糊多模自適應(yīng)UKF方法進(jìn)行導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)，提供了一種精度高、自適應(yīng)能力強(qiáng)的借力飛行軌道上深空探測器的導(dǎo)航方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為針對(duì)借力飛行軌道上的深空探測器，根據(jù)距離行星的遠(yuǎn)近建立相應(yīng)的狀態(tài)方程，利用星敏感器敏感的星光角距和用純天文幾何解析方法解算得到的位置信息，通過一種模糊多模自適應(yīng)UKF(FMMUKF)方法進(jìn)行導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)。具體包括以下步驟1.通過判斷深空探測器距離行星的遠(yuǎn)近，分別建立借力飛行軌道上深空探測器的導(dǎo)航系統(tǒng)第一狀態(tài)方程和第二狀態(tài)方程；若深空探測器在天體影響球之外，建立基于四體軌道動(dòng)力學(xué)模型的第一狀態(tài)方程為^的-i;(ir，o+,的;若深空探測器在天體影響球之內(nèi)，建立基于二體受攝軌道動(dòng)力學(xué)模型的第二狀態(tài)方程》2的-/2(1,0+沐2仍;式中，jj(f)、;^(/》分別為兩個(gè)模型狀態(tài)變量的微分項(xiàng)，f,(x，t)、f2(x，t)分別為兩個(gè)模型的非線性連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，Wl(t)、w^t)分別為兩個(gè)狀態(tài)模型的噪聲。2.建立以星光角距和純天文幾何解析解算得到的位置信息為量測量的量測方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>可簡寫為Z(t)=h(X(t)，t)+v(t)(2)由于量測噪聲方差陣不確定，量測方程則使用模型集Zi(t)二hi(X《t)，t)+Vl(t)，其中量測模型噪聲的協(xié)方差陣E[Vi(k)v《k)T]=Rt，i=l，2，…，NN為設(shè)置的模型數(shù)目，由量測噪聲的種類決定，為2-20個(gè)。式中，Ql，a2，a3分別為是觀測的三顆恒星與探測器之間的星光角距，rpl、rp2和r^分別為觀測的三顆恒星質(zhì)心到探測器的位置矢量，s為恒星星光方向的單位矢量，由星敏感器識(shí)別，、，4d,為星光角距量測噪聲；X。，Y。，Z。為純天文幾何解算得到的位置信息；Vx，vy，Vz為計(jì)算誤差，Z(t)=[Ql，a2，a3，X。，Y。，Z。]T為量測量，h(X(t)，t)為非線性連續(xù)量測函數(shù)，v的-[、,VY、A,v,，^f為量測噪聲，式中所有變量均為與t有關(guān)的變量。利用深空探測器的純天文解析方法解算的位置信息和星敏感器量測得到的星光角距共同作為量測信息；在軌道模型不精確時(shí)，利用純天文幾何解算獲得的結(jié)果修正軌道模型；反之，則利用軌道模型修正幾何解算的計(jì)算誤差。3.對(duì)第一狀態(tài)方程和第二狀態(tài)方程及量測方程進(jìn)行離散化X"k+1)=F"X(k)，k)+Wl(k)(3)或X2(k+l)=F2(X(k)，k)+w2(k)(4)柳=H化(k)，k)+Vl(k)i=l，2…N(5)式中，k=l，2，…，F(xiàn)"X(k)，k)，F(xiàn)2(X(k)，k)分別為f"X，t)，f2(X，t)離散化后的非線性狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，HPQ(k)，k)為hiPQ(t)，t)離散化后的非線性量測函數(shù)，Wl(k)，W2(k)和V《k)互不相關(guān)。4.用狀態(tài)方程與量測方程進(jìn)行FMMUKF濾波，以獲得借力飛行軌道上深空探測器的導(dǎo)航定位信息。FMMUKF濾波方法，采用模糊方法計(jì)算權(quán)重，即以標(biāo)稱狀態(tài)值和量測值定義模糊集合，然后根據(jù)各子模型得到的狀態(tài)估計(jì)值^(0和量測值Z夂k)計(jì)算各個(gè)模型的隸屬度wjk)，然后把這個(gè)隸屬度作為所使用模型的權(quán)重，與實(shí)際模型相符合的子模型就獲得了較大的權(quán)重；對(duì)權(quán)值較小的子模型進(jìn)行舍棄，并對(duì)權(quán)值進(jìn)行歸一化；可以實(shí)現(xiàn)在保證濾波精度的前提下實(shí)現(xiàn)兩個(gè)狀態(tài)模型的切換；提高濾波器對(duì)狀態(tài)模型精度以及對(duì)量測噪聲的自適應(yīng)能力。5.輸出位置，速度信息。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中，哉4》和P(k)分別為k時(shí)刻的狀態(tài)變量估計(jì)值和估計(jì)方差，其中j)Si%tf，ij,iU4分別是對(duì)借力飛行軌道上深空探測器在x、Y、Z三個(gè)方向的位置和速度x，y，z，vx，Vy，、的估計(jì)；并輸出估計(jì)方差陣P^〖A^,，HV/V.~f,其中px，py，pz，A,，IV^分別是借力飛行軌道上深空探測器在X、Y、Z三個(gè)方向位置和速度的估計(jì)方差；為(l:)，Pi(k)分別為k時(shí)刻的第i個(gè)子模型的狀態(tài)估計(jì)值和估計(jì)方差，Wq《k)為第i個(gè)子模型的隸屬度，f(l:)和P(k)分別為k時(shí)刻的狀態(tài)變量估計(jì)值和估計(jì)方差。本發(fā)明的原理本發(fā)明適用于借力飛行軌道上的深空探測器，利用第二引力體來改變探測器相對(duì)中心引力體的能量，從而改變探測器速度的大小或方向，以節(jié)省發(fā)射能量，用較小的初始速度，在沒有任何動(dòng)力消耗的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器的加速，完成探測任務(wù)；其中探測器借力飛行所利用的第二引力體可以為太陽系中的任意行星；發(fā)明以火星為第二引力體，探測器向火星借力為例，以清楚的說明本發(fā)明原理。首先精確建立深空探測器在借力飛行軌道上的狀態(tài)方程，然后以星光角距和純天文幾何解算得到的位置信息建立系統(tǒng)的量測方程，最后采用模糊多模自適應(yīng)UKF(FMMUKF)方法進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，以下以對(duì)火星借力的探測器為例對(duì)原理進(jìn)行描述，當(dāng)探測器借力其他天體時(shí)可采用類似的方法進(jìn)行分析狀態(tài)模型深空探測器對(duì)火星進(jìn)行借力飛行時(shí)，其軌道運(yùn)動(dòng)可近似分為兩段①當(dāng)探測器4/11頁在火星影響球之外時(shí)，為以太陽為主引力體的多體運(yùn)動(dòng)模型，②當(dāng)探測器在火星影響球之內(nèi)時(shí)，為以火星為主引力體的受攝二體運(yùn)動(dòng)模型。當(dāng)探測器在火星影響球之外時(shí)，選取歷元(J2000.0)日心慣性坐標(biāo)系，此時(shí)探測器的第一狀態(tài)方程(四體軌道動(dòng)力學(xué)模型，第一模型)可表示為"*一"K娜,紹現(xiàn)，,想(8)n斗-/a^+4〗-微''微，，'，『teZ『z**"2|z〗i「，ri*，'兩'嫩，式中i^，Pm和Pe分別為太陽、火星和地球的引力常數(shù)。在日心慣性坐標(biāo)系中，^和i^分別為地球和火星的位置矢量，v為地心到探測器的位置矢量，r，為火星質(zhì)心到探測器的位置矢量，(Xl，yi，Zl)，(x2，y2，z》和(x，y，z)分別為火星、地球和火星探測器的位置坐標(biāo)，(vx，vy，O為火星探測器的速度坐標(biāo)，汰J乂K，化)為狀態(tài)變量的微分項(xiàng)，即火星探測器的速度和加速度，wx，wy，w,為狀態(tài)模型誤差。當(dāng)探測器在火星影響球之內(nèi)時(shí)，選取歷元(J2000.0)火星質(zhì)心慣性坐標(biāo)系，此時(shí)探測器的第二狀態(tài)模型(二體受攝軌道動(dòng)力學(xué)模型，第二模型)=《+J"'=V:+，？'—/』、!_一j~—■，，+i—A匯'"撤Xi/V,-Y-j畫、(9)h務(wù)+鵬鏵fW拜w、￥，z嚴(yán)淑產(chǎn)聲2-《"微在火心慣性坐標(biāo)系中，r'陽質(zhì)心到探測器的位置矢量，r',(x'2，y'2，z'》和(x'，y'(V，<，vz')為火星探測器的速度坐標(biāo)，(i',J'，i'，V^/A，為狀態(tài)變量的微分項(xiàng)，即火星探測器的速度和加速度，wx，wy，wz，^V^,，^,為狀態(tài)模型誤差。由于兩個(gè)模型使用的坐標(biāo)系不同，在導(dǎo)航計(jì)算時(shí)必須轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，本發(fā)明選擇日心慣性坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系。皿和r'^分別為太陽和地球的位置矢量，r'p,為太為地心到探測器的位置矢量，(x'py'pz'0，，z')分別為太陽、地球和火星探測器的位置坐標(biāo)，分別簡寫為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>或<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>爲(wèi)《f)、鳥仍分別為兩個(gè)模型狀態(tài)變量的微分項(xiàng)，f"x，t)、f2pc，t)分別為兩水模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，X=(x，y，z，vx，Vy，vz)T，Wl(t)、w2(t)分別為兩個(gè)狀態(tài)模型噪聲，兩個(gè)狀態(tài)模型噪聲協(xié)方差陣分別為E[Wl(k)Wl(k)T]=E[w2(k)w2(k)T]=Q2;當(dāng)探測器在火星影響球之外時(shí)，即當(dāng)1^>5.773Xl(fkm時(shí)，使用第一模型；當(dāng)探測器在火星影響球之內(nèi)，即當(dāng)rp^5.773X106km時(shí)，使用第二模型，同時(shí)Q"(^均隨r，的減小成比例增大。量測模型本發(fā)明是以火星借力的深空探測器為例，因此在利用純天文幾何解析方法進(jìn)行解算時(shí)，觀測量選為火星以及火衛(wèi)一(Phobos)和恒星之間的星光角距。本發(fā)明使用純天文幾何解算得到的位置信息，即探測器在日心慣性坐標(biāo)系中的三軸位置輔助星光角距作為觀測量，如圖2所示，圖中r^、rp。r，分別為日心、地心、火星質(zhì)心到探測器的位置矢量，s為恒星星光方向的單位矢量，由星敏感器測量得到，as，as，Qm為太陽、地球、火星與導(dǎo)航星之間的星光角距，因此導(dǎo)航系統(tǒng)的量測模型為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中，as，a恒星星光方向的單位矢3Qm分別為太陽、地球、火星與導(dǎo)航星之間的星光角距，S為由星敏感器識(shí)別；、，\，^為星光角距量測噪聲；X。，Y。，Z。為純天文幾何解算得到的位置信息；vx，Vy，、為計(jì)算誤差，式中所有變量均為與t有關(guān)的變量；可簡寫為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中，Z(t)二[a"a2，a3，Xc，Yc，ZC]T為量測量，h(X(t)，t)為非線性連續(xù)量測函數(shù)，V(0^、，V,，V^，V:，V,，^f為量測噪聲；由于量測噪聲方差陣不確定，量測方程則使用模型集Z賴=hi(X賴，t)+Vl(t)，其中量測模型噪聲的協(xié)方差陣E[Vi(kK(k)T]=&，i=l，2，…，N，N為設(shè)置的模型數(shù)目，由量測噪聲的種類決定，為2-20個(gè)，需滿足導(dǎo)航精度和實(shí)時(shí)性的要求，一般導(dǎo)航精度中的位置精度為7km，速度精度為0.2m/s，本實(shí)施例按照此要求取N為10。6/11頁對(duì)第一狀態(tài)方程和第二狀態(tài)方程及量測方程進(jìn)行離散化X"k+1)=F"X(k)，k)+Wl(k)(14)或X2(k+l)=F2(X(k)，k)+w2(k;>(15)Z《k)=Hi(X《k)，k)+Vl(k)(16)式中，k=l，2，…，i=l，2，…，N，F(xiàn)"X(k)，k)，F(xiàn)2(X(k)，k)分別為f"X，t)，f2(X，t)離散化后的非線性狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，H《Xi(k)，k)為h《X說，t)離散化后的非線性量測函數(shù)，Wl(k)，W^k)和Vi(k)互不相關(guān)。對(duì)于上述的多模型系統(tǒng)，由于狀態(tài)模型為非線性，為減小其線性化誤差，對(duì)應(yīng)k=1，2…的每一個(gè)時(shí)刻，采用UKF對(duì)N個(gè)模型進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，得到N個(gè)狀態(tài)估計(jì)值和狀態(tài)估計(jì)值的估計(jì)方差=柳柳，，)鎖]1"iA…，AT(17)《參)-[A,WJ^(A)艮附fi=(18)然后需要根據(jù)各子模型與實(shí)際模型的匹配程度確定權(quán)值，進(jìn)行全局融合估計(jì)。傳統(tǒng)求取權(quán)值的方法是取,⑨)/,(i:(豐參-!))詢1廠:"""「i=l,2，"'，W(19)2>(柳局(驅(qū)柳I(")》其中Wqi(k)為模型的權(quán)值，i《lr)=[f(A)貝*)5(1:)^(*)iU憂)]T為k時(shí)刻的狀態(tài)變量估計(jì)值，S衡,l衡^(t),i衡A(A),《(i)分別是k時(shí)刻對(duì)借力飛行軌道上深空探測器在X、Y、Z三個(gè)方向的位置和速度x(k)，y(k)，z(k)，vx(k)，Vy(k)，、(k)的估計(jì)；i^,，)li;(聰為滿足鳥《fc)條件時(shí)，Zj(k)的概率，1))為滿足f(i;—d條件時(shí)，i,(柳概申.,,但對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用對(duì)象而言，在一段時(shí)間內(nèi)，雖然僅有少數(shù)子模型與實(shí)際模型相符合，但由于各子模型的差異僅在于量測噪聲的誤差陣不同，因此采用上面的權(quán)值計(jì)算方法所得到的權(quán)值不能較好的反映各子模型與實(shí)際模型的匹配程度。為了解決該問題，本發(fā)明采用模糊方法計(jì)算權(quán)重，即以標(biāo)稱狀態(tài)值和量測值定義模糊集合，然后根據(jù)各子模型得到的狀態(tài)估計(jì)值和量測值計(jì)算各個(gè)模型的隸屬度，然后把這個(gè)隸屬度作為所使用模型的權(quán)重。即令<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>=G〖if鳥a),處Z,(W,i^=e—丄《l辟贈(zèng)'("'《(21)、W=《#HW(22)式中，Wqjk)為第i個(gè)模型狀態(tài)變量的隸屬度，Wq"k)為第i個(gè)模型量測值的隸屬度，G代表高斯函數(shù)，Ri為量測模型噪聲的協(xié)方差陣E[Vi(k)v《k)T]二Ri，Q為狀態(tài)模型噪聲協(xié)方差陣E[W(k)W(k)T]二Q。并對(duì)權(quán)值進(jìn)行歸一化后，系統(tǒng)最終的導(dǎo)航信息，包括位置和速度信息可由下式得到:(*)=1>#試(*)(23)w/、<、r其中，f=[iJ)i^，^]T為X=[xyzvxvyvz]T的估計(jì)，其中fJ,2,U4分別是對(duì)借力飛行軌道上深空探測器在X、Y、Z三個(gè)方向的位置和速度x，y，z，vx，Vy，Vz的估計(jì)；并輸出估計(jì)方差矩陣^4&.格，^.我,;％,/1/，其中Px，Py，Pz，！ViV^分別是借力飛行軌道上深空探測器在X、Y、Z三個(gè)方向位置和速度的估計(jì)方差。f,(^,P"k)分別為k時(shí)刻的第i個(gè)子模型的狀態(tài)估計(jì)值和估計(jì)方差；wqi(k)為第i個(gè)子模型的隸屬度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明將純天文幾何解析方法和濾波方法相結(jié)合利用FMMUKF濾波方法，在軌道模型不精確時(shí)，利用純天文幾何解算獲得的結(jié)果修正軌道模型；反之，當(dāng)軌道模型精度較高時(shí)則利用軌道模型修正幾何解算的計(jì)算誤差；可以有效地克服當(dāng)探測器由于近距離飛越行星借力飛行時(shí)所帶來的狀態(tài)模型不準(zhǔn)確的問題，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跟蹤狀態(tài)模型的變化，改善了導(dǎo)航精度；(2)通過根據(jù)量測噪聲不同，設(shè)置多個(gè)量測模型，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跟蹤量測噪聲變化，保證濾波收斂，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性，實(shí)現(xiàn)借力飛行軌道上深空探測器的精確定位。圖1為本發(fā)明的流程圖。圖2為探測器天文導(dǎo)航的觀測量示意圖。具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的具體實(shí)施方法如下1、首先初始化探測器位置和速度信息，通過判斷深空探測器距離行星的遠(yuǎn)近，確定是否在天體影響球內(nèi)，分別建立借力飛行軌道上深空探測器的導(dǎo)航系統(tǒng)兩種狀態(tài)方程。以對(duì)火星借力的探測器為例，當(dāng)探測器借力其他天體時(shí)可采用類似的方法進(jìn)行分析。深空探測器對(duì)火星進(jìn)行借力飛行時(shí)，其軌道運(yùn)動(dòng)可近似分為兩段①當(dāng)探測器在10火星影響球之外時(shí)，為以太陽為主引力體的多體運(yùn)動(dòng)模型，②當(dāng)探測器在火星影響球之內(nèi)時(shí)，為以火星為主引力體的受攝二體運(yùn)動(dòng)模型。初始化位置、速度，按如下方程建立軌道動(dòng)力學(xué)模型(系統(tǒng)狀態(tài)方程)當(dāng)探測器在火星影響球之外時(shí)，選取歷元(J2000.0)日心慣性坐標(biāo)系，此時(shí)探測器的第一狀態(tài)方程(四體軌道動(dòng)力學(xué)模型，第一模型)可表示為3，A—F寬V=—鏍1嚴(yán)ir萍、-_〃,2〃"l~~+A—,，廣鄉(xiāng)卩w(25)Z，Z，，rZ""，丄_|^__—爲(wèi)l..《+^^J+氛',,拜娜'聲'《式中，ils，Pm和Pe分別為太陽、火星和地球的引力常數(shù)。在日心慣性坐標(biāo)系中，^和i^分別為地球和火星的位置矢量，rps為地心到探測器的位置矢量，r，為火星質(zhì)心到探測器的位置矢量，(Xl，yi，Zl)，(x2，y2，z》和(x，y，z)分別為火星、地球和火星探測器的位置坐標(biāo)，(vx，vy，v》為火星探測器的速度坐標(biāo)，(i，J，夂夂A，lU為狀態(tài)變量的微分項(xiàng)，即火星探測器的速度和加速度，wx，wy，w,為狀態(tài)模型噪聲。當(dāng)探測器在火星影響球之內(nèi)時(shí)，選取歷元(J2000.0)火星質(zhì)心慣性坐標(biāo)系，此時(shí)探測器的第二狀態(tài)方程(二體受攝軌道動(dòng)力學(xué)模型，第二模型)j'=v;+w,i'=V;+W:YV1,aa，l，1〃r2+1』—一—*,=上6聲r(shí)二,3，氣(26)p耐rmf,蘆艦戸一S，Z〗i『2~i—_~^+7j+，,—腸拜層，皿和r'^分別為太陽和地球的位置矢量為地心到探測器的位置矢量，(x'py'為太!)，在火心慣性坐標(biāo)系中，r陽質(zhì)心到探測器的位置矢量，r',(x'2，y'2，z'2)和(x'，y'，z')分別為太陽、地球和火星探測器的位置坐標(biāo)，(vx'，<，vz')為火星探測器的速度坐標(biāo)，(i'，J',i',tW,lV)為狀態(tài)變量的微分項(xiàng)，即火星探測器的速度和加速度，wx，wy，wz，g,，V^,為狀態(tài)模型噪聲。由于兩個(gè)模型使用的坐標(biāo)系不同，在導(dǎo)航計(jì)算時(shí)必須轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，11本發(fā)明選擇日心慣性坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系。分別簡寫為或《仍=/2(1，0+沐2(《)其中，《的、烏(/)分別為兩個(gè)模型狀態(tài)變』(27)(28):的微分項(xiàng)，f"&，t)、f2(x2，t)分別W"t)、W2(t)分別Vy，Vz)1為兩個(gè)模型的非線性連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，X=(x，y，z，vx為兩個(gè)狀態(tài)模型噪聲，協(xié)方差陣分別為E[Wl(k)Wl(k)T]=E[w2(k)w2(k)T]=Q2;當(dāng)探測器在火星影響球之外時(shí)，即當(dāng)1^>5.773Xl(fkm時(shí)，使用第一模型；當(dāng)探測器在火星影響球之內(nèi)，即當(dāng)rp^5.773X106km時(shí)，使用第二模型，同時(shí)Q"(^均隨r，的減小成比例增大。2、建立以星光角距和純天文幾何解析解算得到的位置信息為量測量的量測方程。本發(fā)明是以火星借力的深空探測器為例，因此在利用純天文幾何解析方法進(jìn)行解算時(shí)，觀測量選為火星以及火衛(wèi)一(Phobos)和恒星之間的星光角距。本發(fā)明提出的新方法，使用純天文幾何解算得到的位置信息，即探測器在日心慣性坐標(biāo)系中的三軸位置輔助星光角距作為)as=anxos(—2—)+va拜如圖2所示，因此導(dǎo)航系統(tǒng)的量測模型為%=aroos(—嚴(yán)'-)+v,f戸cr想=arccos(_■^——)卞4"附卿K"+、式中，as，ae，恒星星光方向的單位矢量Z。為純天文幾何解算得到的位置信息；Vx，可簡寫為Z(t)=h(X(t)，t)+v(t)(30)式中，Z(t)二[a"a2，a3，Xc，Yc，ZC]T為量測函數(shù)，v(f)=[、，、，、，vx，v,，v2f為量測噪聲由于量測噪聲方差陣不確定，量測方程則使用模型集柳=h諷t)，t)+V賴(31)其中量測模型噪聲的協(xié)方差陣E[y(k)Vi(k)T]=Rt，i:12C29)Qm分別為太陽、地球、火星與導(dǎo)航星之間的星光角距，S為由星敏感器識(shí)別；、，\、為星光角距量測噪聲；X。，Y。，Vy，Vz為計(jì)算誤差；續(xù)量效h(X(t)，t)為非線性連1，2，3、對(duì)以上狀態(tài)方程及兩個(gè)量測方程進(jìn)行離散化。X"k+1)=F"X(k)，k)+Wl(k)(32)或X2(k+l)=F2(X(k)，k)+w2(k)(33)Z《k)=Hi(X《k)，k)+Vl(k)(34)式中，k=l，2，，i=l，2…N，F(xiàn)"X(k)，k)，F(xiàn)2(X(k)，k)分別為f"X，t)，f2(X，t)離散化后的非線性狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，Hi(X《k)，k)為h《X說，t)離散化后的非線性量測函數(shù)，Wl(k)，W^k)和Vi(k)互不相關(guān)。4、用狀態(tài)方程與量測方程進(jìn)行FMMUKF濾波。對(duì)于上述的多模型系統(tǒng)，由于狀態(tài)模型為非線性，為減小其線性化誤差，對(duì)應(yīng)k=1，2…的每一個(gè)時(shí)刻，采用UKF對(duì)N個(gè)模型進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，得到N個(gè)狀態(tài)估計(jì)值和狀態(tài)估計(jì)值的估計(jì)方差<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>然后需要根據(jù)各子模型與實(shí)際模型的匹配程度確定權(quán)值，進(jìn)行全局融合估計(jì)。為滿足i^)條件時(shí)，Z說的概率，1》)為滿足我&—i》條件時(shí)，i,(，的概率。本發(fā)明采用模糊方法計(jì)算權(quán)重，即以標(biāo)稱狀態(tài)值和量測值定義模糊集合，然后根據(jù)各子模型得到的狀態(tài)估計(jì)值和量測值計(jì)算各個(gè)模型的隸屬度，然后把這個(gè)隸屬度作為所使用模型的權(quán)重。即令<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>式中，W"(k)為第i個(gè)模型狀態(tài)變量的隸屬度，Wjk)為第i個(gè)模型量測值的隸屬度，G代表高斯函數(shù)，Ri為量測模型噪聲的協(xié)方差陣E[Vi(k)v《k)T]二Ri，Q為狀態(tài)模型噪聲協(xié)方差陣E[W(k)W(kf]=Q。這樣那些與實(shí)際模型相符合的子模型就獲得了較大的權(quán)重。對(duì)權(quán)值較小的子模型進(jìn)行舍棄(令其Wl(k)=0)，并對(duì)權(quán)值進(jìn)行歸一化后，5、輸出位置，速度信息。按照上述步驟14，建立軌道動(dòng)力學(xué)方程，量測方程利用信息融合即可完成對(duì)借力飛行軌道上深空探測器的位置、速度估計(jì)。系統(tǒng)輸出的導(dǎo)航信息可由下式得到1陽=|>諷1,(*)(德)^faahaa、r麵i輸出狀態(tài)矢量X=[xyzvxVyvzf的估計(jì)值i#i化l化r，其中UW,A4分別是對(duì)借力飛行軌道上深空探測器在X、Y、Z三個(gè)方向的位置和速度x，y，z，vx，vy，Vz的估計(jì)；并輸出估計(jì)方差矩陣P4ft,^,A,AA,，A/，其中px，py，pz，IVA，，A;分別是借力飛行軌道上深空探測器在X、Y、Z三個(gè)方向位置和速度的估計(jì)方差。Pl(k)分別為k時(shí)刻的第i個(gè)子模型的狀態(tài)估計(jì)值和估計(jì)方差；wqi(k)為第i個(gè)子模型的隸屬度。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。1權(quán)利要求一種借力飛行軌道上深空探測器的自主天文導(dǎo)航方法，其特征在于針對(duì)借力飛行軌道上的深空探測器根據(jù)距離行星的遠(yuǎn)近，建立相應(yīng)的狀態(tài)方程，其中利用星敏感器敏感的星光角距和用純天文幾何解析方法解算得到的位置信息，最后通過模糊多模自適應(yīng)UKF方法進(jìn)行導(dǎo)航系統(tǒng)位置速度的最優(yōu)估計(jì)；具體包括以下步驟(1)通過判斷深空探測器距離行星的遠(yuǎn)近，分別建立借力飛行軌道上深空探測器的導(dǎo)航系統(tǒng)第一狀態(tài)方程和第二狀態(tài)方程；若深空探測器在天體影響球之外，建立基于四體軌道動(dòng)力學(xué)模型的第一狀態(tài)方程為<mrow><msub><mover><mi>X</mi><mo>·</mo></mover><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>w</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>;</mo></mrow>若深空探測器在天體影響球之內(nèi)，建立基于二體受攝軌道動(dòng)力學(xué)模型的第二狀態(tài)方程<mrow><msub><mover><mi>X</mi><mo>·</mo></mover><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>w</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>;</mo></mrow>式中，X為模型的狀態(tài)量，X＝(x，y，z，vx，vy，vz)，包括x，y，z探測器在日心慣性坐標(biāo)系中的三軸位置和vx，vy，vz探測器在日心慣性坐標(biāo)系中的三軸速度；分別為兩個(gè)模型狀態(tài)變量的微分項(xiàng)，f1(X，t)、f2(X，t)分別為兩個(gè)模型的非線性連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，w1(t)、w2(t)分別為兩個(gè)狀態(tài)模型的噪聲。(2)建立N個(gè)以星光角距和純天文幾何解析解算得到的位置信息為量測量的量測子模型為<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>α</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>arccos</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>p</mi><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>·</mo><mi>s</mi></mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>p</mi><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>v</mi><mrow><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mi>i</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>arccos</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>p</mi><mn>2</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>·</mo><mi>s</mi></mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>p</mi><mn>2</mn><mi>i</mi></mrow></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>v</mi><mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><mi>i</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>arccos</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>p</mi><mn>3</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>·</mo><mi>s</mi></mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>p</mi><mn>3</mn><mi>i</mi></mrow></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>v</mi><mrow><msub><mi>α</mi><mn>3</mn></msub><mi>i</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>X</mi><mi>ci</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>v</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Y</mi><mi>ci</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>v</mi><mi>yi</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Z</mi><mi>ci</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>v</mi><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced>式中，α1i，α2i，α3i分別為是第i個(gè)子模型觀測的三顆星與導(dǎo)航星之間的星光角距，rp1i、rp2i和rp3i分別為第i個(gè)子模型觀測的三顆星質(zhì)心到探測器的位置矢量，s為導(dǎo)航星星光方向的單位矢量，由星敏感器識(shí)別，為第i個(gè)子模型由星光角距得到的量測噪聲；Xci，Yci，Zci為第i個(gè)子模型純天文幾何解算得到的位置信息；xi，yi，zi為第i個(gè)子模型中探測器在日心慣性坐標(biāo)系中的三軸位置；vxi，vyi，vzi為第i個(gè)子模型的純天文解析的計(jì)算誤差，式中所有變量均為與t有關(guān)的變量；量測方程則使用模型集Zi(t)＝hi(Xi(t)，t)+vi(t)i＝1，2，…，N；Zi(t)＝[α1i，α2i，α3i，Xci，Yci，Zci]T為第i個(gè)子模型的量測量，hi[Xi(t)，t]為第i個(gè)子模型的非線性連續(xù)量測函數(shù)，<mrow><msub><mi>v</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup><mrow><mo>[</mo><msub><mi>v</mi><mrow><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mi>i</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>v</mi><mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><mi>i</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>v</mi><mrow><msub><mi>α</mi><mn>3</mn></msub><mi>i</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>v</mi><mi>xi</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>v</mi><mi>yi</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>v</mi><mi>zi</mi></msub><mo>]</mo></mrow><mi>T</mi></msup></mrow>為第i個(gè)子模型的量測噪聲，N為設(shè)置的模型數(shù)目，由量測噪聲的種類決定，為2-20個(gè)。(3)對(duì)第一狀態(tài)方程和第二狀態(tài)方程及量測方程進(jìn)行離散化X1(k+1)＝F1(X(k)，k)+w1(k)或X2(k+1)＝F2(X(k)，k)+w2(k)Zi(k)＝Hi(Xi(k)，k)+vi(k)式中，k＝1，2，…，i＝1，2…N，F(xiàn)1(X(k)，k)，F(xiàn)2(X(k)，k)分別為f1(X，t)，f2(X，t)離散化后的非線性狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，Hi(Xi(k)，k)為hi(Xi(t)，t)離散化后的非線性量測函數(shù)，w1(k)，w2(k)和vi(k)互不相關(guān)。(4)用狀態(tài)方程與量測方程進(jìn)行模糊多模自適應(yīng)UKF濾波，以獲得借力飛行軌道上深空探測器的導(dǎo)航定位信息；其中模糊多模自適應(yīng)UKF濾波方法，以標(biāo)稱狀態(tài)值和量測值定義模糊集合，然后根據(jù)各子模型得到的狀態(tài)估計(jì)值和量測值Zi(k)計(jì)算各個(gè)模型的隸屬度wqi(k)，將隸屬度作為所使用模型的權(quán)重，并對(duì)權(quán)值進(jìn)行歸一化；(5)輸出位置，速度信息。<mrow><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mi>i</mi><mi>N</mi></munderover><msub><mi>w</mi><mi>qi</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>w</mi><mi>qi</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>[</mo><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msup><mrow><mo>{</mo><msub><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>}</mo><mo>·</mo><mo>{</mo><msub><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>}</mo></mrow><mi>T</mi></msup><mo>]</mo></mrow>式中，和P(k)分別為k時(shí)刻的狀態(tài)變量估計(jì)值和估計(jì)方差，其中<mrow><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mover><mi>x</mi><mo>^</mo></mover><mover><mi>y</mi><mo>^</mo></mover><mover><mi>z</mi><mo>^</mo></mover><msub><mover><mi>v</mi><mo>^</mo></mover><mi>z</mi></msub><msub><mover><mi>v</mi><mo>^</mo></mover><mi>y</mi></msub><msub><mover><mi>v</mi><mo>^</mo></mover><mi>z</mi></msub><mo>]</mo></mrow><mi>T</mi></msup><mo>,</mo></mrow>分別是對(duì)借力飛行軌道上深空探測器在X、Y、Z三個(gè)方向的位置和速度x，y，z，vx，vy，vz的估計(jì)；并輸出估計(jì)方差陣<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mo>[</mo><msub><mi>p</mi><mi>x</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>p</mi><mi>y</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>p</mi><mi>z</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>p</mi><msub><mi>v</mi><mi>x</mi></msub></msub><mo>,</mo><msub><mi>p</mi><msub><mi>v</mi><mi>y</mi></msub></msub><mo>,</mo><msub><mi>p</mi><msub><mi>v</mi><mi>z</mi></msub></msub><mo>]</mo></mrow><mi>T</mi></msup><mo>,</mo></mrow>其中px，py，pz，分別是借力飛行軌道上深空探測器在X、Y、Z三個(gè)方向位置和速度的估計(jì)方差；Pi(k)分別為k時(shí)刻的第i個(gè)子模型的狀態(tài)估計(jì)值和估計(jì)方差；wqi(k)為第i個(gè)子模型的隸屬度。全文摘要本發(fā)明涉及一種借力飛行軌道上深空探測器的自主天文導(dǎo)航方法。根據(jù)距離行星的遠(yuǎn)近建立相應(yīng)的狀態(tài)方程，利用星敏感器敏感的星光角距和用純天文幾何解析方法解算得到的位置信息，通過一種模糊多模自適應(yīng)UKF(FMMUKF)方法進(jìn)行導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)。本發(fā)明適用于借力飛行軌道上的深空探測器的導(dǎo)航定位，屬于航天導(dǎo)航
技術(shù)領(lǐng)域：
，可應(yīng)用于多天體交會(huì)借力飛行軌道深空探測器導(dǎo)航參數(shù)的確定。文檔編號(hào)G01C21/02GK101692001SQ200910093149公開日2010年4月7日申請(qǐng)日期2009年9月25日優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日發(fā)明者吳偉仁,寧曉琳,馬辛申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)