專利名稱：基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航方法，屬于衛(wèi)星自主導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法包括基于光學(xué)敏感器(如紫外敏感器)的天文導(dǎo)航方法和基于星間距離測量的星座自主導(dǎo)航方法等，其中，基于光學(xué)敏感器的天文導(dǎo)航受到地心方向提取精度的限制，難以滿足衛(wèi)星高精度自主導(dǎo)航的要求；基于地球衛(wèi)星的星間距離測量進(jìn)行星座自主導(dǎo)航導(dǎo)航時存在“虧秩”問題，即僅距離測量情況下不能對星座的整體旋轉(zhuǎn)形成有效的幾何約束，造成星座衛(wèi)星的絕對定位誤差隨時間增長而逐步積累。在地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星之間建立星間鏈路，進(jìn)行星間距離測量，此時，兩顆衛(wèi)星的動力學(xué)特性分別受到地球和月球引力的顯著影響，導(dǎo)航系統(tǒng)是可觀的?；诘厍蛐l(wèi)星和月球衛(wèi)星之間的距離測量信息，以及三體軌道動力學(xué)方程，通過設(shè)計適當(dāng)?shù)臄U展卡爾曼濾波(EKF)算法，可以同時估計出地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的絕對位置，實現(xiàn)僅依賴星間測距信息的高精度自主導(dǎo)航。但是，由于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距信息不直接反映地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的絕對位置，對狀態(tài)變量的修正作用較弱，且自主導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測方程都是非線性的，較大的初始位置誤差會導(dǎo)致濾波收斂速度變慢，甚至導(dǎo)致濾波發(fā)散。因此，基于地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星聯(lián)合測距的自主導(dǎo)航性能易受初始位置誤差影響。為了克服初始位置誤差的影響，本發(fā)明提出，融合地月衛(wèi)星聯(lián)合測距信息和紫外敏感器的測量信息，建立基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。紫外敏感器能同時對地球和恒星成像，集成了地球敏感器和星敏感器的功能。采用紫外敏感器可以直接從成像信息中提取導(dǎo)航所需的星光角距觀測量。將紫外敏感器的星光角距測量信息引入自主導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠增強測量信息的修正作用，為導(dǎo)航系統(tǒng)提供中等精度的先驗位置信息；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合高精度的地月衛(wèi)星聯(lián)合測距信息，可以實現(xiàn)地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星高精度自王導(dǎo)航。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:針對基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距的自主導(dǎo)航性能易受初始誤差影響的問題，提出基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航方法，在地月衛(wèi)星聯(lián)合測距的基礎(chǔ)上增加紫外敏感器測量信息，能夠顯著改善導(dǎo)航濾波器的收斂性，在初始誤差較大的情況下實現(xiàn)衛(wèi)星高精度自主導(dǎo)航。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航方法，步驟如下:(I)選擇參與導(dǎo)航的一顆地球衛(wèi)星和一顆月球衛(wèi)星的位置矢量和速度矢量在地心慣性坐標(biāo)系的分量作為狀態(tài)變量；(2)在所述地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星之間建立星間鏈路，通過無線電測距的方法獲取地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的星間距離觀測量；(3)通過安裝在地球衛(wèi)星上的紫外敏感器同時對地球和恒星進(jìn)行觀測，獲取星光角距觀測量；(4)利用擴展卡爾曼濾波算法處理步驟(2)中得到的地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的星間距離觀測量和步驟(3)中得到的星光角距觀測量，獲得狀態(tài)變量的估計值，即地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的位置矢量和速度矢量的估計值，從而實現(xiàn)基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航。所述步驟⑴中狀態(tài)變量為:x(tk) = [ (x0 (tk))T (X1(^tk))1T其中，Xi (tk) = [(r.a,))1^^))1]1rj (tk) = Lrij x(tk) Tij y(tk) Tij z(tk)]TVi (tk) = [vijX(tk)vijy(tk)vijZ(tk)]T
r0(tk)和VtlUk)表示地球衛(wèi)星的位置矢量和速度矢量，Γ! (tk)和￥1(1:15)表示月球衛(wèi)星的位置矢量和速度矢量，下標(biāo)i = O表示地球衛(wèi)星，i = I表示月球衛(wèi)星,tk表示時間。所述步驟(2)中地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的星間距離觀測量為:d (tk) = I IT1 (tk) -r0 (tk) I I +vd (tk)其中，d(tk)表示地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的星間距離觀測量，符號11.11表示求矢量的范數(shù)，vd(tk)表示星間距離測量噪聲。所述步驟(3)中星光角距觀測量為:
權(quán)利要求
1.基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航方法，其特征在于步驟如下: (1)選擇參與導(dǎo)航的一顆地球衛(wèi)星和一顆月球衛(wèi)星的位置矢量和速度矢量在地心慣性坐標(biāo)系的分量作為狀態(tài)變量； (2)在所述地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星之間建立星間鏈路，通過無線電測距的方法獲取地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的星間距離觀測量； (3)通過安裝在地球衛(wèi)星上的紫外敏感器同時對地球和恒星進(jìn)行成像觀測，通過圖像處理獲取星光角距觀測量； (4)利用擴展卡爾曼濾波算法處理步驟(2)中得到的地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的星間距離觀測量和步驟(3)中得到的星光角距觀測量，獲得狀態(tài)變量的估計值，即地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的位置矢量和速度矢量的估計值，從而實現(xiàn)基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航方法，其特征在于:所述步驟(I)中狀態(tài)變量為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航方法，其特征在于:所述步驟(2)中地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的星間距離觀測量為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航方法，其特征在于:所述步驟(3)中星光角距觀測量為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航方法，其特征在于:所述步驟(4)中通過擴展卡爾曼濾波算法處理星間距離和星間角距觀測量，獲得狀態(tài)變量的估計值具體為:
全文摘要
基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航方法，通過地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星之間的星間鏈路獲取地月衛(wèi)星聯(lián)合測距信息，通過紫外敏感器獲取星光角距測量信息；進(jìn)而，采用擴展卡爾曼濾波算法，通過遞推計算處理觀測量序列，獲得參與導(dǎo)航的地球衛(wèi)星和衛(wèi)星的位置和速度的估計值。本發(fā)明所述方法可用于實現(xiàn)具有較高精度需求的衛(wèi)星自主導(dǎo)航任務(wù)，有助于降低衛(wèi)星對地面測控的依賴程度，增強衛(wèi)星系統(tǒng)在緊急情況下的自主生存能力。
文檔編號G01C21/02GK103148849SQ20131007818
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者熊凱, 魏春嶺, 何英姿 申請人:北京控制工程研究所