一种太阳耀斑到达时间差分测量及组合导航方法、系统 |
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申请号 | CN201511027050.X | 申请日 | 2015-12-31 | 公开(公告)号 | CN105651287A | 公开(公告)日 | 2016-06-08 |
申请人 | 武汉科技大学; | 发明人 | 刘劲; 吴谨; 熊凌; 邓慧萍; | ||||
摘要 | 本 发明 提供一种太阳耀斑到达时间差分测量及组合导航方法、系统,属于 航天器 自主导航领域。太阳耀斑到达时间差分测量包括获得直接来自于太阳的耀斑到达时间、被火星反射的耀斑到达时间,计算二者的差值,建立太阳耀斑到达时间差分测量模型;组合导航方法包括建立测向导航模型,建立太阳耀斑到达时间差分测量模型,利用 滤波器 滤波,在未获得太阳耀斑TDOA时可采用测向模型。本发明弥补了测向导航的径向误差大这一问题, 定位 精度 高,并且对仪器和星历要求很低。因此,本发明对航天器自主导航具有重要的实际意义。 | ||||||
权利要求 | 1.一种太阳耀斑到达时间差分测量方法,其特征在于:利用对太阳系内行星进行探测的航天器实现测量,航天器上设置第一光电探测器和第二光电探测器,测量过程包括以下步骤, |
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说明书全文 | 一种太阳耀斑到达时间差分测量及组合导航方法、系统技术领域背景技术[0002] 导航信息对于深空探测的成败至关重要。受远距离和长时延的影响,地面站无法提供实时高精度的导航信息,特别是在捕获段。而航天器自主导航系统可以做到这一点。因此,对于捕获段而言,天文自主导航是极其重要的,特别是航天器相对于目标天体的位置、速度信息。 [0003] 目前,在深空探测领域,有以下几种自主导航方法:(1)X射线脉冲星测距导航。X射线脉冲星导航可提供高精度测距信息。但是,航天器相对于目标天体的位置比绝对位置更加重要。若目标天体星历出现较大误差,航天器相对于目标天体的位置也相应地出现较大误差。(2)测向导航。测向导航是传统的天文导航方式,通过测量近天体获得航天器相对于近天体的方位信息。但是,该方法无法提供高精度的航天器与近天体之间距离信息。(3)测速导航。测速导航通过测量恒星的光谱频移来获得航天器相对于恒星的速度信息。测速导航方法无法直接提供位置信息。位置信息是通过积分速度信息获得,因此必存在较大积分误差。 [0004] 综上所述,在目标天体星历存在误差的情况下,X射线脉冲星导航和测速导航无法提供高精度的相对于目标天体的导航信息。测向导航虽不受星历误差影响,但是在径向上精度极低。 发明内容[0005] 本发明提出了一种太阳耀斑到达时间差分(Time Difference Of Arrival,TDOA)测量技术方案,旨在为航天器提供高精度的测距导航信息。在此基础上,本发明将其与传统的测向导航相结合,提出一种太阳耀斑TDOA/测向组合导航技术方案,旨在深空探测捕获段为航天器提供实时、高精度的自主导航信息。 [0006] 本发明提供一种太阳耀斑到达时间差分测量方法,利用对太阳系内行星进行探测的航天器实现测量,航天器上设置第一光电探测器和第二光电探测器,测量过程包括以下步骤, [0007] 步骤A1,采用航天器上的第一光电探测器测得太阳耀斑直接到达航天器的时间,根据航天器在t1时刻的位置r(t1),计算太阳耀斑光子离开太阳质心的时间t0如下,[0008] c·(t1-t0)=|r(t1)| [0009] 其中,c为光速; [0010] 步骤A2,利用行星星历,计算太阳耀斑光子到达行星的时刻t2和此时的行星位置rM(t2)如下, [0011] c·(t2-t0)=|rM(t2)| [0012] 步骤A3,采用航天器上的第二光电探测器测得记录经行星反射到达航天器的时间t,得到太阳耀斑到达时间差分t-t1;初步建立太阳耀斑TDOA模型如下, [0013] c·(t-t1)=|r(t)-rM(t2)|-|r(t1)|+|rM(t2)|+ω [0014] 其中,ω为TDOA测量误差,TDOA表示到达时间差分,航天器在时刻t的位置为r(t); [0015] 步骤A4,对步骤A3所得太阳耀斑TDOA模型进行几何修正,获得精确模型,根据所得模型实现到达时间差分测量;进行几何修正包括以下子步骤, [0016] 步骤A41,针对反射点不在行星质心而在行星表面,计算夹角α+β如下,[0017] |r-rM|2+|rM|2-|r2=2|r-rM|·|rM|cos(α+β) [0018] 其中,r、rM和rM′M分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、在时刻t2相应的火星质心位置rM(t2)和反射点位置rM′(t2),矢量r-rM和rM′-rM的夹角是α,矢量-rM和rM′M-rM的夹角是β; [0019] 进行初始化如下, [0020] α=β=(α+β)/2 [0021] 步骤A42,设矢量rM-r和rM′-r的夹角是α′,矢量rM和rM′M的夹角是β′,计算α′和β′如下, [0022] [0023] [0024] [0025] [0026] 其中,RM为行星半径; [0027] 步骤A43,调整α和β如下, [0028] α=α-[(α+α′)-(β+β′)]/2 [0029] β=β+[(α+α′)-(β+β′)]/2 [0030] 步骤A44,返回步骤A42,直到下式成立,此时的|rM′|和|rM′-r|为所求距离; [0031] α+α′=β+β′=θ [0032] 步骤A45,对步骤A3初步建立的太阳耀斑TDOA模型进行修正,得到修正模型如下,[0033] t-t1=(rM′-r|+|rM′-|r-v·(t-t1))/c+ω [0034] 其中,v为航天器的速度。 [0035] 而且,所述行星为火星,所述航天器为火星探测器。 [0036] 本发明相应提供一种太阳耀斑到达时间差分测量系统,用于利用对太阳系内行星进行探测的航天器实现测量,航天器上设置第一光电探测器和第二光电探测器,并设置以下模块, [0037] 第一模块,用于采用航天器上的第一光电探测器测得太阳耀斑直接到达航天器的时间,根据航天器在t1时刻的位置r(t1),计算太阳耀斑光子离开太阳质心的时间t0如下,[0038] c·(t1-t0)=|r(t1)| [0039] 其中,c为光速; [0040] 第二模块,用于利用行星星历,计算太阳耀斑光子到达行星的时刻t2和此时的行星位置rM(t2)如下, [0041] c·(t2-t0)=|rM(t2)| [0042] 第三模块,用于采用航天器上的第二光电探测器测得记录经行星反射到达航天器的时间t,得到太阳耀斑到达时间差分t-t1;初步建立太阳耀斑TDOA模型如下, [0043] c·(t-t1)=|r(t)-rM(t2)|-|r(t1)|+|rM(t2)|+ω [0044] 其中,ω为TDOA测量误差,TDOA表示到达时间差分,航天器在时刻t的位置为r(t); [0045] 第四模块,用于对第三模块所得太阳耀斑TDOA模型进行几何修正,获得精确模型,根据所得模型实现到达时间差分测量;包括以下子模块, [0046] 第一子模块,用于针对反射点不在行星质心而在行星表面,计算夹角α+β如下,[0047] |r-rM|2+|rM|2-|r|2=2|r-rM|·|rM|cos(α+β) [0048] 其中,r、rM和rM′分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、在时刻t2相应的火星质心位置rM(t2)和反射点位置rM′(t2),矢量r-rM和rM′-rM的夹角是α,矢量-rM和rM′-rM的夹角是β; [0049] 进行初始化如下, [0050] α=β=(α+β)/2 [0051] 第二子模块,用于设矢量rM-r和rM′-r的夹角是α′,矢量rM和rM′的夹角是β′,计算α′和β′如下, [0052] [0053] [0054] [0055] [0056] 其中,RM为行星半径; [0057] 第三子模块,用于调整α和β如下, [0058] α=α-[(α+α′)-(β+β′)]/2 [0059] β=β+[(α+α′)-(β+β′)]/2 [0060] 第四子模块,用于命令第二子模块工作,直到下式成立,此时的|rM′|和|rM′-r|为所求距离; [0061] α+α′=β+β′=θ [0062] 第五子模块,用于对第三模块初步建立的太阳耀斑TDOA模型进行修正,得到修正模型如下, [0063] t-t1=(rM′-r|+|rM′|-|r-v·(t-t1))/c+ω [0064] 其中,v为航天器的速度。 [0065] 而且,所述行星为火星,所述航天器为火星探测器。 [0066] 本发明还提供一种基于太阳耀斑到达时间差分测量的组合导航方法,包括以下步骤, [0067] 步骤1,建立航天器的轨道动力学模型如下, [0068] [0069] 其中, 是航天器的状态矢量X的导数, 为时刻T的 f(X,T)为航天器的状态转移模型,ω(T)为时刻T航天器的导航系统噪声; [0070] 步骤2,建立测向模型如下, [0071] [0072] 其中,υ是测向噪声,Z为航天器相对于行星的方位矢量,R、RM分别表示航天器的[0073] 位置、火星质心位置; [0074] 步骤3,建立太阳耀斑TDOA模型如下, [0075] t-t1=(rM′M-r|+|rM′|-|r-v·(t-t1))/c+ω [0076] 其中,t-t1为太阳耀斑到达时间差分,t1为太阳耀斑直接到达航天器的时间,t为经行星反射到达航天器的时间,r和rM′分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、太阳耀斑光子到达火星的时刻t2相应的反射点位置rM′(t2),v为航天器的速度,c为光速,ω为TDOA测量误差; [0077] 步骤4,未获得太阳耀斑TDOA时,选择步骤2所得测向模型,根据步骤1中所得轨道动力学模型进行滤波;获得太阳耀斑TDOA时,选择步骤3所得TDOA模型,根据步骤1中所得轨道动力学模型进行滤波;滤波得到导航信息。 [0079] 本发明相应提供一种基于太阳耀斑到达时间差分测量的组合导航系统,包括以下单元, [0080] 第一单元,用于建立航天器的轨道动力学模型如下, [0081] [0082] 其中, 是航天器的状态矢量X的导数, 为时刻T的 f(X,T)为航天器的状态转移模型,ω(T)为时刻T航天器的导航系统噪声; [0083] 第二单元,用于建立测向模型如下, [0084] [0085] 其中,υ是测向噪声,Z为航天器相对于行星的方位矢量,R、RM分别表示航天器的位置、火星质心位置; [0086] 第三单元,用于建立太阳耀斑TDOA模型如下, [0087] t-t1=(rM′-r|+|rM′|-|r-v·(t-t1))/c+ω [0088] 其中,t-t1为太阳耀斑到达时间差分,t1为太阳耀斑直接到达航天器的时间,t为经行星反射到达航天器的时间,r和rM′分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、太阳耀斑光子到达火星的时刻t2相应的反射点位置rM′(t2),v为航天器的速度,c为光速,ω为TDOA测量误差; [0089] 第四单元,用于未获得太阳耀斑TDOA时,选择第二单元所得测向模型,根据第一单元中所得轨道动力学模型进行滤波;获得太阳耀斑TDOA时,选择第三单元所得TDOA模型,根据第一单元中所得轨道动力学模型进行滤波;滤波得到导航信息。 [0090] 而且,所述滤波采用扩展卡尔曼滤波器实现。 [0091] 本发明与现有技术相比的优点在于: [0092] (1)航天器自主导航系统需要探测器和相关的天文数据。已有方法在实现前都需研制新的探测器,并进行长期巡天观测获取天文数据。而本发明只需光电探测器和目标天体星历。该设备和天文数据都是已有的,无需重新研制或采集,节约了成本和时间。 [0093] (2)本发明可在低速光电探测器、低精度的目标天体星历、无太阳耀斑计时模型的条件下正常工作。因此,本发明对设备和星历要求低,易于实现。 [0095] 图1为本发明实施例的太阳耀斑到达时间差分测量原理示意图。 [0096] 图2为本发明实施例的太阳耀斑TDOA测量的几何修正示意图。 具体实施方式[0098] 深空探测器一般称为航天器。飞往火星的航天器可称为火星探测器。 [0099] 本发明以火星探测器为实施例,对于其他太阳系内行星的探测器也可采用同样方法实现。 [0100] 首先给出火星探测器轨道,如表1所示。 [0101] 表1 火星探测器初始轨道参数 [0102] [0103] 太阳耀斑TDOA的基本原理如图1所示。路径D为太阳耀斑光子直接从太阳飞向航天器的路径,路径M为太阳光子经火星反射再飞向航天器的路径。火星探测器上设置有两个光电探测器。 [0104] 实施例提供的一种太阳耀斑到达时间差分测量方法,具体为: [0105] 步骤A1:获得太阳耀斑直接到达航天器的时间t1。该值可由航天器上的光电探测器(记为第一光电探测器)测得。根据航天器在t1时刻的位置r(t1)和式(1),可计算太阳耀斑光子离开太阳质心的时间t0。 [0106] c·(t1-t0)=|r(t1)| (1)其中,c为光速。|·|表示对矢量取模,下同。 [0107] 步骤A2:利用火星星历和式(2),可计算太阳耀斑光子到达火星的时刻t2和此时的火星位置rM(t2)。 [0108] c·(t2-t0)=|rM(t2)| (2) [0109] 步骤A3:记录经火星反射到达航天器的时间t。该值可由航天器上的另一个光电探测器(记为第二光电探测器)测得。t-t1就是太阳耀斑TDOA。太阳耀斑TDOA模型可以初步建立,如式(3)所示。 [0110] c·(t-t1)=|r(t)-rM(t2)|-|r(t1)|+|rM(t2)|+ω (3) [0111] 其中,ω为TDOA测量误差。航天器在t时刻的位置为r(t),该值是未知量,是导航系统需要估计的状态。 [0112] 步骤A4:对该模型进行几何修正,获得精确模型,根据所得模型实现到达时间差分测量。 [0113] 太阳耀斑TDOA几何修正原理如图2所示。反射点不在火星质心,而在火星表面。针对这一问题,本发明进行几何修正。 [0114] 步骤A41:根据式(4),计算α+β的值。并用式(5)初始化α和β。 [0115] |r-rM|2+|rM|2-|r|2=2|r-rM|·|rM|cos(α+β) (4)其中,r,rM和rM′分别表示r(t),rM(t2)和rM′(t2),t2的定义是一样的。火星质心位置和反射点位置分别为rM和rM′,即rM(t2)表示太阳耀斑光子到达火星的时刻t2相应火星质心位置,rM′(t2)表示太阳耀斑光子到达火星的时刻t2相应反射点位置。矢量r-rM和rM′-rM的夹角是α,矢量-rM和rM′-rM的夹角是β。首先初始假设如下: [0116] α=β=(α+β)/2 (5) [0117] 步骤A42:利用式(6-9)计算α′和β′。矢量rM-r和rM′-r的夹角是α′,矢量rM和rM′的夹角是β′。RM为火星半径。 [0118] [0119] [0120] [0121] [0122] 步骤A43:利用式(10-11),调整α和β。 [0123] α=α-[(α+α′)-(β+β′)]/2 (10) [0124] β=β+[(α+α′)-(β+β′)]/2 (11) [0125] 步骤A44:重复步骤A42-A44,直到式(12)成立。此时的|rM′|,|rM′-r|即为所求距离。 [0126] α+α′=β+β′=θ (12) [0127] 步骤A45:对式(3)进行修正,得到修正模型如式(13)所示。 [0128] t-t1=(rM′-r|+|rM′|-|r-v·(t-t1))/c+ω (13) [0129] 其中,v为航天器的速度。 [0130] 实施例基于以上太阳耀斑TDOA方法,提供的一种太阳耀斑TDOA/测向组合导航方法,具体为: [0131] 步骤B1:建立航天器的轨道动力学模型 [0132] 步骤B1中所述的建立航天器的轨道动力学模型,其具体实现过程为: [0133] 因为航天器的状态矢量X为: [0134] [0135] 其中,r=[x,y,z]T和v=[vx,vy,vz]T分别为航天器的位置和速度矢量,x,y,z分别为航天器的位置在三轴上的分量,vx,vy,vz分别为航天器的速度在三轴上的分量; [0136] 则航天器的轨道动力学模型为: [0137] [0138] 其中, 分别为x,y,z,vx,vy,vz的导数, [0139] 式(5)可表示为: [0140] [0141] 其中, 是X的导数, 为时刻T的 f(X,T)为航天器的状态转移模型,[x1,y1,z1]和[x2,y2,z2]分别是火星和地球相对于太阳系质心的相对位置矢量,μs,μm,μe分别是太阳,火星和地球的引力常数,rps,rpm,rpe分别是航天器到太阳质心,火星质心以及地球质心之间的距离,其计算公式为: 分别是火星质 心、地球质心分别到太阳质心之间的距离;航天器的导航系统噪声ω=[0,0,0,ΔFx,ΔFy,ΔFz]T,其中,ΔFx、ΔFy和ΔFz是摄动力在三轴上的分量,ω(T)为时刻T航天器的导航系统噪声。 [0142] 步骤B2:建立测向模型。 [0143] [0144] 其中,υ是测向噪声。Z为航天器相对于火星的方位矢量。此时,R、RM分别表示航天器的位置、火星质心位置。 [0145] 步骤B3:建立太阳耀斑TDOA模型。详见上述相对导航测速方法,采用式(13)即可。 [0146] 步骤B4:未获得太阳耀斑TDOA时,选择步骤B2所得测向模型,根据步骤B1中所得轨道动力学模型进行滤波;获得太阳耀斑TDOA时,选择步骤B3所得TDOA模型,根据步骤B1中所得轨道动力学模型进行滤波,得到导航信息。 [0147] 实施例利用扩展卡尔曼滤波器滤波。滤波器的状态矢量是航天器的位置和速度矢量,滤波结果就是航天器的位置和速度。导航滤波器中的测量模型选择方法如下: [0148] 未获得太阳耀斑TDOA时,选择步骤B2所得测向模型。获得太阳耀斑TDOA时,选择步骤B3所得TDOA模型。 [0149] 导航滤波器中的状态转移模型为B1步骤中式(16)所示的轨道动力学模型。 [0150] 具体实施时,采用其他滤波器的实现方式类似。 [0151] 滤波器参数如表2所示: [0152] 表2 导航滤波器参数 [0153] [0154] 其中,P(0)为初始状态误差矩阵,Q为状态噪声协方差, 即q1的平方, 即q2的平方。 [0155] 具体实施时,以上流程可采用计算机软件技术实现自动运行流程,也可采用软件模块化技术实现相应系统。 [0156] 本发明相应提供一种太阳耀斑到达时间差分测量系统,用于利用对太阳系内行星进行探测的航天器实现测量,航天器上设置第一光电探测器和第二光电探测器,并设置以下模块, [0157] 第一模块,用于采用航天器上的第一光电探测器测得太阳耀斑直接到达航天器的时间,根据航天器在t1时刻的位置r(t1),计算太阳耀斑光子离开太阳质心的时间t0如下,[0158] c·(t1-t0)=|r(t1)| [0159] 其中,c为光速; [0160] 第二模块,用于利用行星星历,计算太阳耀斑光子到达行星的时刻t2和此时的行星位置rM(t2)如下, [0161] c·(t2-t0)=|rM(t2)| [0162] 第三模块,用于采用航天器上的第二光电探测器测得记录经行星反射到达航天器的时间t,得到太阳耀斑到达时间差分t-t1;初步建立太阳耀斑TDOA模型如下, [0163] c·(t-t1)=|r(t)-rM(t2)|-|r(t1)|+|rM(t2)|+ω [0164] 其中,ω为TDOA测量误差,TDOA表示到达时间差分,航天器在时刻t的位置为r(t); [0165] 第四模块,用于对第三模块所得太阳耀斑TDOA模型进行几何修正,获得精确模型,根据所得模型实现到达时间差分测量;包括以下子模块, [0166] 第一子模块,用于针对反射点不在行星质心而在行星表面,计算夹角α+β如下,[0167] |r-rM|2+|rM|2-|r2=2|r-rM|·|rM|cos(α+β) [0168] 其中,r、rM和rM′分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、在时刻t2相应的火星质心位置rM(t2)和反射点位置rM′(t2),矢量r-rM和rM′-rM的夹角是α,矢量-rM和rM′-rM的夹角是β; [0169] 进行初始化如下, [0170] α=β=(α+β)/2 [0171] 第二子模块,用于设矢量rM-r和rM′-r的夹角是α′,矢量rM和rM′的夹角是β′,计算α′和β′如下, [0172] [0173] [0174] [0175] [0176] 其中,RM为行星半径; [0177] 第三子模块,用于调整α和β如下, [0178] α=α-[(α+α′)-(β+β′)]/2 [0179] β=β+[(α+α′)-(β+β′)]/2 [0180] 第四子模块,用于命令第二子模块工作,直到下式成立,此时的|rM′|和|rM′-r|为所求距离; [0181] α+α′=β+β′=θ [0182] 第五子模块,用于对第三模块初步建立的太阳耀斑TDOA模型进行修正,得到修正模型如下, [0183] t-t1=(rM′-r|+|rM′|-|r-v·(t-t1))/c+ω [0184] 其中,v为航天器的速度。 [0185] 本发明相应提供一种基于太阳耀斑到达时间差分测量的组合导航系统,包括以下单元, [0186] 第一单元,用于建立航天器的轨道动力学模型如下, [0187] [0188] 其中, 是航天器的状态矢量X的导数, 为时刻T的 f(X,T)为航天器的状态转移模型,ω(T)为时刻T航天器的导航系统噪声; [0189] 第二单元,用于建立测向模型如下, [0190] [0191] 其中,υ是测向噪声,Z为航天器相对于行星的方位矢量,R、RM分别表示航天器的位置、火星质心位置; [0192] 第三单元,用于建立太阳耀斑TDOA模型如下, [0193] t-t1=(|rM′-r|+rM′|-r-v·(t-t1))/c+ω [0194] 其中,t-t1为太阳耀斑到达时间差分,t1为太阳耀斑直接到达航天器的时间,t为经行星反射到达航天器的时间,r和rM′分别表示航天器在时刻t的位置r(t)、太阳耀斑光子到达火星的时刻t2相应的反射点位置rM′(t2),v为航天器的速度,c为光速,ω为TDOA测量误差; [0195] 第四单元,用于未获得太阳耀斑TDOA时,选择第二单元所得测向模型,根据第一单元中所得轨道动力学模型进行滤波;获得太阳耀斑TDOA时,选择第三单元所得TDOA模型,根据第一单元中所得轨道动力学模型进行滤波;滤波得到导航信息。 [0196] 各模块或单元实现可参见方法相应说明,本发明不予赘述。 |