一種深空探測定點軟著陸過程的信息融合導(dǎo)航方法
【專利摘要】一種深空探測定點軟著陸過程的信息融合導(dǎo)航方法，在為著陸器自主導(dǎo)航系統(tǒng)配備慣性測量單元、測距敏感器、測速敏感器、光學(xué)成像敏感器等導(dǎo)航敏感器的基礎(chǔ)上，軟著陸全程通過慣性測量單元測量著陸器的角速度和非引力加速度，經(jīng)積分和外推后為導(dǎo)航系統(tǒng)提供著陸器的位置速度信息。測距敏感器輸出的斜距信息，測速敏感器輸出的相對速度信息，光學(xué)成像敏感器輸出的特征點像素坐標(biāo)信息均由相互獨立的卡爾曼子濾波器處理，給出狀態(tài)及誤差協(xié)方差的局部估計。局部估計結(jié)果再由協(xié)方差交叉法進行信息融合，得出統(tǒng)一的當(dāng)前著陸器的位置速度估計值，同時反饋給子濾波器用于下次導(dǎo)航更新。本導(dǎo)航方法的位置速度估計精度高、實時性好、具備容錯能力且容易實現(xiàn)。
【專利說明】 一種深空探測定點軟著陸過程的信息融合導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于導(dǎo)航領(lǐng)域，涉及一種基于信息融合的航天器自主導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002]深空探測定點軟著陸過程時間短，姿態(tài)軌道動態(tài)變化大，環(huán)境未知性強，并且在大天體軟著陸時一旦啟動就難以終止，這就對導(dǎo)航系統(tǒng)在實時性、精度、容錯能力提出了極高的要求。
[0003]傳統(tǒng)的基于地面測控網(wǎng)的導(dǎo)航方式存在著深空通訊延時大，確定相對位置、速度的精度低，不能提供著陸場詳細(xì)地理信息的缺點。因此，著陸器必須依靠自主導(dǎo)航系統(tǒng)，通過各類敏感器獲取測量信息，再由著陸器上的導(dǎo)航算法處理，獨立實時的估計自身的姿態(tài)、位置、速度并且識別著陸場障礙。由于要估計的狀態(tài)參數(shù)多，因此著陸器自主導(dǎo)航系統(tǒng)的敏感器配置相對豐富，典型方案包括慣性測量單元(含陀螺和加速度計)、測距敏感器、測速敏感器、光學(xué)成像敏感器。慣性測量單元測量著陸器的角速度和非引力加速度，通過積分可給出著陸器姿態(tài)位置速度的基礎(chǔ)信息。測距敏感器測量波束方向的斜距，從而可確定著陸器的實時高度。測速敏感器只要有3束不共面的波束就可確定著陸器的相對速度。光學(xué)成像敏感器對天體表面已知的特征點成像，經(jīng)圖像處理提取特征點的像素坐標(biāo)，從而對著陸點附近的障礙或是危險區(qū)域進行成像識別。上述敏感器在均有效的前提下，可以為導(dǎo)航系統(tǒng)提供的測量信息維數(shù)大于著陸器待估計的狀態(tài)量維數(shù)，因此不同敏感器之間實際上形成了異構(gòu)備份。在工程實踐中，為了進一步保證安全，還可能增加冗余備份，例如配備2個測距波束等。處理如此多源的非獨立測量信息，導(dǎo)航算法除了保證必要的導(dǎo)航精度之外，還必須具備良好的信息融合能力、容錯能力，并且易于星上實現(xiàn)。
[0004]慣性導(dǎo)航加輔助測量修正的導(dǎo)航方法是一種較為穩(wěn)妥簡單的軟著陸導(dǎo)航方法。該方法視慣性導(dǎo)航結(jié)果為主導(dǎo)值，當(dāng)斜距、速度、特征點像素坐標(biāo)等輔助測量有效時，逐一的或是分組的將其與慣性導(dǎo)航給出的該量估計值相比較，其差值乘以定常的或是擬合的系數(shù)得到對慣性導(dǎo)航結(jié)果的修正量。由于輔助測量的修正系數(shù)獨立設(shè)計且沒有耦合關(guān)系，因此該方法易于設(shè)計和應(yīng)用，即使單個敏感器故障也不影響其它敏感器測量的使用。但該方法的不足之處在于犧牲了部分導(dǎo)航精度，給出的估計不是最優(yōu)值。
[0005]目前在導(dǎo)航領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的擴展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter)算法是一種集中式濾波方法，能夠?qū)λ袑?dǎo)航測量信息做最優(yōu)融合處理，但是該方法需要將不同敏感器的測量統(tǒng)一寫為一個方程。這樣的方程其維數(shù)很高，因而計算負(fù)擔(dān)非常重，在當(dāng)前星載計算機性能條件下不利于濾波的實時運行。而且該方法的容錯性差，不利于故障診斷，也不利于處理不同敏感器的時間同步性問題。
[0006]為克服集中式濾波的缺點誕生了分布式濾波，該技術(shù)至今已經(jīng)發(fā)展了 30多年，在眾多的分布式濾波方法中，Carlson提出的聯(lián)邦濾波(Federated Filter)只對子濾波器的估計信息進行合成。子濾波器是平行結(jié)構(gòu)形式。各子濾波器算法采用卡爾曼濾波算法，處理對應(yīng)傳感器的測量信息。聯(lián)邦濾波由于計算量小、信息分配方式靈活、信息容錯性能好而廣受重視。但是聯(lián)邦濾波需要局部狀態(tài)估計相互獨立或者是已知其相關(guān)性，而精確計算局部狀態(tài)估計相關(guān)性一般十分困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種深空探測定點軟著陸過程的信息融合導(dǎo)航方法，其位置速度估計精度高、實時性好、具備容錯能力且容易實現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種深空探測定點軟著陸過程的信息融合導(dǎo)航方法，包括如下步驟:
[0009](1)將著陸器在天體中心慣性系的位置r和速度V作為狀態(tài)變量X，
【權(quán)利要求】
1.一種深空探測定點軟著陸過程的信息融合導(dǎo)航方法，其特征在于包括如下步驟: (1)將著陸器在天體中心慣性系的位置r和速度V作為狀態(tài)變量X，
【文檔編號】G01C21/24GK103884340SQ201410126454
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】張曉文, 王大軼, 黃翔宇, 褚永輝 申請人:北京控制工程研究所