專利名稱：基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量進(jìn)行星座自主導(dǎo)航導(dǎo)航時(shí)存在“虧秩”問題，即僅距離測(cè)量情況下不能對(duì)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(duì)定位誤差隨時(shí)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(cè)量，此時(shí)，兩顆衛(wèi)星的動(dòng)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(cè)量信息，以及三體軌道動(dòng)力學(xué)方程，通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)算法，可以同時(shí)估計(jì)出地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的絕對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)僅依賴星間測(cè)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(cè)距信息不直接反映地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的絕對(duì)位置，對(duì)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(cè)方程都是非線性的，較大的初始位置誤差會(huì)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(cè)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(cè)距信息和紫外敏感器的測(cè)量信息，建立基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測(cè)距和紫外敏感器的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。紫外敏感器能同時(shí)對(duì)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(cè)量。將紫外敏感器的星光角距測(cè)量信息引入自主導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠增強(qiáng)測(cè)量信息的修正作用，為導(dǎo)航系統(tǒng)提供中等精度的先驗(yàn)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(cè)距信息，可以實(shí)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(duì)基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測(cè)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(cè)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(cè)距的基礎(chǔ)上增加紫外敏感器測(cè)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(shí)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(cè)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(cè)距的方法獲取地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的星間距離觀測(cè)量；(3)通過安裝在地球衛(wèi)星上的紫外敏感器同時(shí)對(duì)地球和恒星進(jìn)行觀測(cè)，獲取星光角距觀測(cè)量；(4)利用擴(kuò)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(cè)量和步驟(3)中得到的星光角距觀測(cè)量，獲得狀態(tài)變量的估計(jì)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(jì)值，從而實(shí)現(xiàn)基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測(cè)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(shí)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(cè)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(cè)量，符號(hào)11.11表示求矢量的范數(shù)，vd(tk)表示星間距離測(cè)量噪聲。所述步驟(3)中星光角距觀測(cè)量為:
權(quán)利要求
1.基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測(cè)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(cè)距的方法獲取地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的星間距離觀測(cè)量； (3)通過安裝在地球衛(wèi)星上的紫外敏感器同時(shí)對(duì)地球和恒星進(jìn)行成像觀測(cè)，通過圖像處理獲取星光角距觀測(cè)量； (4)利用擴(kuò)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(cè)量和步驟(3)中得到的星光角距觀測(cè)量，獲得狀態(tài)變量的估計(jì)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(jì)值，從而實(shí)現(xiàn)基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(kuò)展卡爾曼濾波算法處理星間距離和星間角距觀測(cè)量，獲得狀態(tài)變量的估計(jì)值具體為:
全文摘要
基于地月衛(wèi)星聯(lián)合測(cè)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(cè)距信息，通過紫外敏感器獲取星光角距測(cè)量信息；進(jìn)而，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，通過遞推計(jì)算處理觀測(cè)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(jì)值。本發(fā)明所述方法可用于實(shí)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(duì)地面測(cè)控的依賴程度，增強(qiáng)衛(wèi)星系統(tǒng)在緊急情況下的自主生存能力。
文檔編號(hào)G01C21/02GK103148849SQ20131007818
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京控制工程研究所