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一种基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法

阅读：806发布：2020-08-04

专利汇可以提供一种基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法。针对太阳较差自转导致太阳圆盘面上不同点的线速度不同，导致探测器在不同位置观测到的太阳不同点的径向速度不同的现象，研究发现这一速度信息是探测器当前位置的函数，因此可以利用其估计探测器的位置和速度。该方法利用光谱仪测量太阳圆盘面上不同点的径向速度，然后计算出它们的速度差值，并将其作为量测量建立量测模型，结合轨道运动学模型以及Unscented卡尔曼滤波来估计探测器的位置和速度。本发明能够消除光谱仪误差以及太阳自身速度变化对导航性能的影响，因此估计精度高。，下面是一种基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法，其特征在于：
第一步，利用四个光谱仪测量太阳圆盘面上两组互相垂直的点的径向速度差值；
第二步，针对太阳圆盘面上的较差自转现象导致的探测器位置和速度估计偏差，设计基于太阳圆面径向速度差值的量测模型；
第三步，建立太阳探测器基于轨道运动学的状态模型，结合第一步获取的径向速度差值量测量以及第二步建立的量测模型，使用Unscented卡尔曼滤波确定探测器的位置和速度，实现探测器的自主天文导航。
2.根据权利要求1所述的基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法，其特征在于：所述第一步，具体包括以下步骤：
利用四个光谱仪测量得到太阳圆盘面上两组相互垂直的四个点A、B、C、D的速度分别为vA,vB,vC,vD，四个光谱仪按四棱锥的四个角安装，δ是光谱仪与四棱锥中心轴线的安装角，R是四棱锥底面外接圆的半径，h是四棱锥的高，
然后，计算得到四点之间的速度差值vA-vB,vA-vC,vA-vD,vB-vC,vB-vD,vC-vD。
3.根据权利要求1所述的基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法，其特征在于：所述第二步，基于太阳圆面速度差值的量测模型建立的具体实现过程如下：
(1)建立本体坐标系b-xbybzb，其中原点位于探测器的质心,设本体系下光谱仪指向A、B、C、D四点的方向矢量分别为
计算A、
B、C、D四点在本体坐标系b-xbybzb下的位置矢量，然后平移至以太阳质心为原点的坐标系O-xbybzb上，得到A、B、C、D四点在以太阳质心O为中心的本体系O-xbybzb下的位置矢量(2)根据本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵计算A、B、C、D四点在太阳惯性系下的位置矢量为进而得到A、B、C、D四点处在太阳惯性系下的经度β和纬度
(3)建立太阳圆面径向速度的数学模型
其中，探测器的单位位置矢量为r＝[xs ys zs]T，太阳半径Rs为6.955×105km，a、b、c为常数，从而得到A、B、C、D四点处的径向速度vA、vB、vC、vD；
(4)使用太阳圆面径向速度差值，即A、B、C、D四点处的径向速度差值作为量测量，最终所有的太阳圆面径向速度差值量测量记作：
zk＝[vA-vB vA-vC vA-vD vB-vC vB-vD vC-vD]T。
4.根据权利要求1所述的基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法，其特征在于：所述第三步，具体如下：
(1)建立太阳探测器基于轨道运动学的状态模型
太阳探测器的运动方程看作以太阳为中心天体的二体模型，在J2000.0太阳质心坐标系下写作：
式中：vps是探测器相对太阳的速度矢量；μs是太阳的引力常数；w1是过程噪声；
设状态量为Xk＝[rps vps]T，则太阳质心惯性坐标系下的状态模型为：
Xk＝f(Xk-1,T)
(2)基于Unscented卡尔曼滤波算法，结合步骤(1)中太阳质心惯性坐标系下的状态模型和量测模型进行滤波；
首先，初始化状态量，即位置、速度以及误差协方差阵；然后利用Unscented采样13个采样点，结合状态模型，对采样点进行状态量的一步预测，并得出与初始状态值之间的协方差阵，以消除状态模型误差的影响；再利用测量得到的A、B、C、D四点之间的速度差值vA-vB,vA-vC,vA-vD,vB-vC,vB-vD,vC-vD作为量测量，通过量测量与量测模型相减得到系统量测残差，利用量测残差校正量测模型的模型误差；最后，将获得的状态量的估计值和状态估计方差返回滤波器，用于下一时刻进行迭代计算，并输出状态估计值和状态估计方差，得到探测器位置和速度的估计，最终实现自主导航要求。

说明书全文

一种基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法

技术领域

[0001] 本发明属于航天器自主导航领域，涉及一种基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法。

背景技术

[0002] 天文导航是一种无时延、可靠性高、全自主的导航方法。按量测量的不同，天文导航可以划分为测角、测速和测距导航。其中，天文测速导航通过观测太阳或恒星光谱的多普勒速度频移量，获取航天器与恒星的相对运动速度，通过速度积分获取位置，是一种重要的新兴导航方法。

[0003] 传统天文测速导航方法在获取多普勒速度量测量时，通常都是将太阳视为一个质点，然而，航天器实际观测到的太阳是一个圆盘，从而造成航天器的导航性能下降。由于太阳表面存在较差自转现象，即太阳表面线速度的大小随着纬度的变化而变化，因此实际观测到的太阳圆盘面上的不同点的多普勒速度是不同的，且航天器在不同位置观测到的太阳圆盘面上不同点的多普勒速度也不同。研究发现这一速度信息是航天器当前位置的函数，同时为了消除光谱仪误差及太阳自身速度对导航性能的影响，因此可以把不同点之间的多普勒速度差值作为量测量来估计航天器的位置信息，提高导航性能。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法，解决传统天文测速导航方法在获取多普勒速度量测量时将太阳视为一个质点，而航天器实际观测到的太阳是一个圆盘所造成的导航性能降低的问题。此外，本发明还能够消除光谱仪误差及太阳自身速度对导航性能的影响，为深空探测器提供一种高精度的自主天文导航方法。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

[0006] 首先利用四个光谱仪测量太阳圆盘面上两组互相垂直的点的径向速度差值，然后根据太阳径向速度数学模型建立速度差值的量测模型，结合轨道动力学模型，使用Unscented卡尔曼滤波估计探测器的位置和速度。

[0007] 1、一种基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法，其特征在于：

[0008] 第一步，利用四个光谱仪测量太阳圆盘面上两组互相垂直的点的径向速度差值；

[0009] 第二步，针对太阳圆盘面上的较差自转现象导致的探测器位置和速度估计偏差，设计基于太阳圆面径向速度差值的量测模型；

[0010] 第三步，建立太阳探测器基于轨道运动学的状态模型，结合第一步获取的径向速度差值量测量以及第二步建立的量测模型，使用Unscented卡尔曼滤波确定探测器的位置和速度，实现探测器的自主天文导航。

[0011] 所述第一步，具体包括以下步骤：

[0012] 利用四个光谱仪测量得到太阳圆盘面上两组相互垂直的四个点A、B、C、D的速度分别为vA,vB,vC,vD，四个光谱仪按四棱锥的四个角安装，δ是光谱仪与四棱锥中心轴线的安装角，R是四棱锥底面外接圆的半径，h是四棱锥的高，

[0013]

[0014] 然后，计算得到四点之间的速度差值vA-vB,vA-vC,vA-vD,vB-vC,vB-vD,vC-vD。

[0015] 所述第二步，基于太阳圆面径向速度差值的量测模型建立的具体实现过程如下：

[0016] (1)建立本体坐标系b-xbybzb，其中原点位于探测器的质心,设本体系下光谱仪指向A、B、C、D四点的方向矢量分别为计算A、
B、C、D四点在本体坐标系b-xbybzb下的位置矢量，然后平移至以太阳质心为原点的坐标系O-xbybzb上，得到A、B、C、D四点在以太阳质心O为中心的本体系O-xbybzb下的位置矢量[0017] (2)根据本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵计算A、B、C、D四点在太阳惯性系下的位置矢量为进而得到A、B、C、D四点处在太阳惯性系下的经度β和纬度[0018] (3)建立太阳圆面径向速度的数学模型

[0019]

[0020] 其中，探测器的单位位置矢量为r＝[xs ys zs]T，太阳半径Rs为6.955×105km，a、b、c为常数，不同的测量结果会影响a、b、c三个常数的值；本发明选择a＝14.713度/日(±0.0491)，b＝-2.396度/日(±0.188)，c＝-1.787度/日(±0.253)，从而得到A、B、C、D四点处的径向速度vA、vB、vC、vD；

[0021] (4)为了消除光谱仪误差及太阳自身速度的影响，使用太阳圆面径向速度差值，即A、B、C、D四点处的径向速度差值作为量测量，最终所有的太阳圆面径向速度差值量测量记作：

[0022] zk＝[vA-vB vA-vC vA-vD vB-vC vB-vD vC-vD]T。

[0023] 所述第三步，具体如下：

[0024] (1)建立太阳探测器基于轨道运动学的状态模型

[0025] 太阳探测器的运动方程看作以太阳为中心天体的二体模型，在J2000.0太阳质心坐标系下写作：

[0026]

[0027] 式中：vps是探测器相对太阳的速度矢量；μs是太阳的引力常数；w1是过程噪声；

[0028] 设状态量为Xk＝[rps vps]T，则太阳质心惯性坐标系下的状态模型为：

[0029] Xk＝f(Xk-1,T)

[0030] (2)基于Unscented卡尔曼滤波算法，结合步骤(1)中太阳质心惯性坐标系下的状态模型和量测模型进行滤波。

[0031] 首先，初始化状态量，即位置、速度以及误差协方差阵；然后利用Unscented采样13个采样点，结合状态模型，对采样点进行状态量的一步预测，并得出与初始状态值之间的协方差阵，以消除状态模型误差的影响；接着，利用测量得到的A、B、C、D四点之间的速度差值vA-vB,vA-vC,vA-vD,vB-vC,vB-vD,vC-vD作为量测量，通过量测量与量测模型相减得到系统量测残差，利用量测残差校正量测模型的模型误差；最后，将获得的状态量的估计值和状态估计方差返回滤波器，用于下一时刻进行迭代计算，并输出状态估计值和状态估计方差，得到探测器位置和速度的估计，最终实现自主导航要求。

[0032] 本发明的原理是：首先利用四个光谱仪测量太阳圆盘面上两组互相垂直的点的径向速度差值获取量测量，然后根据太阳径向速度数学模型建立速度差值的量测模型，结合轨道动力学模型，使用Unscented卡尔曼滤波方法，用量测量与模型之间的残差校正模型误差，实现对位置和速度导航参数进行估计。

[0033] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0034] (1)针对太阳较差自转导致太阳圆面上各点的线速度不同，导致处于不同位置的深空探测器观测到的太阳圆面上不同点的多普勒速度也不同的现象，本发明提出了一种以太阳圆面速度差作为量测量的新型天文导航方法，解决了传统天文测速导航方法在获取多普勒速度量测量时将太阳视为一个质点，而航天器实际观测到的太阳是一个圆盘所导致的精度下降问题；

[0035] (2)利用太阳径向速度差分，消除了光谱仪误差及太阳自身速度对导航性能的影响，进一步提高了深空探测器的导航精度。附图说明

[0036] 图1为本发明一种基于太阳圆面速度差的天文导航方法的流程图；

[0037] 图2为本发明中太阳圆面速度差量测量的获取示意图；

[0038] 图3为本发明中建立速度差量测模型的示意图；

[0039] 图4为本发明中太阳径向速度数学模型的示意图。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

[0041] 如图1所示，本发明的具体实施方法如下：

[0042] 1.获取太阳圆面速度差；

[0043] 利用四个光谱仪测量得到太阳圆盘面上两组相互垂直的四个点A、B、C、D的速度分别为vA,vB,vC,vD，如图2所示。四个光谱仪按四棱锥的四个角安装，δ是光谱仪与四棱锥中心轴线的安装角。R是四棱锥底面外接圆的半径，h是四棱锥的高，因此：

[0044]

[0045] 然后，计算得到四点之间的速度差值vA-vB,vA-vC,vA-vD,vB-vC,vB-vD,vC-vD。

[0046] 2.建立基于太阳圆面速度差的量测模型；

[0047] 基于太阳圆面速度差的量测模型的建立过程中，主要包括A、B、C、D四点的位置矢量在探测器本体坐标系下的计算，太阳圆面上不同点的径向速度数学模型的建立以及太阳圆面上不同点的径向速度差的计算三个重要步骤。具体实现过程如下：

[0048] a)计算A、B、C、D四点在本体系O-xbybzb下的位置矢量

[0049] 建立本体坐标系b-xbybzb，其中原点位于探测器的质心。Z轴指向太阳视方向，Y轴位于探测器轨道平面上并指向探测器的运动方向，X轴根据右手法则确定，如图3所示。

[0050] 设本体系下光谱仪指向 A 、B 、C 、D四点的方向矢量分别为以点A为例，假设A点在本体系b-xbybzb下的位置矢量为则可以得：

[0051]

[0052] 其中，太阳半径Rs＝6.955×105千米。由式(2)可以得到两个解：A点的位置坐标和A’点的位置坐标，选择绝对值较小的解，即为A点的位置矢量。此时，A点的位置矢量的原点在探测器上，然后把它平移至以太阳质心为原点的坐标系O-xbybzb上，则A点在O-xbybzb下的位置矢量

[0053] 同理，可以得到B、C、D三点在O-xbybzb坐标系下的位置矢量。

[0054] b)计算A、B、C、D四点处在太阳惯性系下的经度和纬度

[0055] 根据星图匹配和识别方法，可以得到从本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵则切点A在日心惯性系下的位置矢量为且：

[0056]

[0057] A点处的经度β和纬度可以由下式计算：

[0058]

[0059]

[0060] 同理，可以得到B、C、D三点在太阳惯性系下的经度和纬度值。

[0061] c)建立太阳径向速度的数学模型并计算A、B、C、D四点处的径向速度太阳自转速率随纬度的变化而变化，其较差自转率由下式描述：

[0062]

[0063] 其中，ω是以度/日为单位的角速度，是太阳对应点纬度，a、b、c为常数，不同的测量结果会影响a、b、c三个常数的值；当前被接受的值是：a＝14.713度/日(±0.0491)，b＝-2.396度/日(±0.188)，c＝-1.787度/日(±0.253)。

[0064] 由式(6)可得太阳圆盘面上不同点的自转线速度为：

[0065]

[0066] 作垂直于太阳视方向且经过太阳质心O的切面圆，即太阳圆盘面。在切面圆上任取一点M，沿子午线与赤道交于点N，∠NOS＝β，建立太阳惯性坐标系O-xyz，如图4所示。

[0067] 设探测器的单位位置矢量为r＝[xs ys zs]T，M点在坐标系O-xyz下的线速度v＝[vsinβ vcosβ 0]T，则M点的径向速度可以表示为：

[0068] vr＝v·r＝vsinβxs+vcosβys (8)

[0069] 联立式(7)和式(8)得

[0070]

[0071] 由式(4)、式(5)和式(9)可得到A点处的径向速度vA。同理，也能得到B、C、D点处的径向速度vB、vC、vD。

[0072] d)计算A、B、C、D四点处的径向速度差值

[0073] 为了消除光谱仪误差及太阳自身速度的影响，本方法使用太阳圆面速度差值，即A、B、C、D四点处的径向速度差值作为量测量。最终，所有的太阳圆面速度差量测量可以记作：

[0074] zk＝[vA-vB vA-vC vA-vD vB-vC vB-vD vC-vD]T

[0075] 3.建立基于轨道动力学的状态模型；

[0076] 太阳探测器的运动方程可以看作以太阳为中心天体的二体模型，在J2000.0太阳质心坐标系下写作：

[0077]

[0078] 式中：rps、vps是探测器相对太阳的位置和速度矢量；μs是太阳的引力常数；w1是过程噪声。

[0079] 设状态量为Xk＝[rps vps]T，则太阳质心坐标系下的状态模型可以写作：

[0080] Xk＝f(Xk-1,T) (11)

[0081] 4.利用Unscented卡尔曼滤波算法，结合第2步和第3步所述的状态模型和量测模型进行滤波。利用第1步测量得到的A、B、C、D四点之间的速度差值vA-vB,vA-vC,vA-vD,vB-vC,vB-vD,vC-vD作为量测量，通过量测量与量测模型相减得到系统量测残差，用系统这一残差校正量测模型的模型误差；利用Unscented采样13个采样点，利用系统状态模型，对采样点进行一步预测，并得出与上一步迭代状态值之间协方差阵，以消除状态模型误差的影响；

[0082] 5.输出导航信息

[0083] 将第4步中获得的状态量的估计值和状态估计方差返回滤波器，用于k+1时刻，并输出状态估计值和状态估计方差。

[0084] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

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一种基于太阳圆面速度差的自主天文导航方法

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