CN102944238B - 一种行星探测器接近目标过程中相对位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种行星探测器接近目标过程中相对位置确定方法，属于自主导航技术领域。行星探测器在接近目标天体的过程中按指定速度释放无线电信标，通过测量无线电信标与行星探测器之间的距离数据，结合行星探测器携带的光学敏感器提取的探测器相对目标天***置单位矢量的测量数据，实现探测器相对目标天***置的确定。本发明方法能够自主的确定探测器在接近过程中相对目标天体的轨道，计算量小，简单方便，同时由于引入了伴飞无线电信标的测量信息，能够改进了单纯采用目标天体光学测量的观测构型，提高探测器相对目标天体的轨道确定精度。

Description

一种行星探测器接近目标过程中相对位置确定方法

技术领域

本发明涉及一种行星探测器接近目标过程中相对位置确定方法，属于自主导航技术领域。

背景技术

随着行星际探测任务的日益增多，探测器飞越、绕飞以及软着陆目标天体已经成为未来深空科学探测的重要任务和课题。为了成功地完成科学考察任务，接近段探测器的相对轨道确定必须具有很高精度，以便探测器在期望的位置到达目标天体。探测器接近段导航精度与探测器所测量的信息类型、测量数据精度以及探测器动力学模型和观测模型的不确定性都有很大关系。探测器接近段导航方法的设计直接决定了探测器所测量信息的类型，设计合理的导航方法是提高探测器的相对轨道确定精度的主要途径。探测器接近段导航方法是直接关系到探测任务完成质量的关键技术，其甚至关系到整个任务的成功与否，因此行星探测器接近段导航方法是当前各国航天科研部门重点发展的研究方向之一。

在已发展的行星探测器接近段导航方法中，在先技术[1]（参见C.L.Thornton,J.S.Border.Radiometric tracking techniquesfor deep space navigation.USA:John Wiley& sons,Inc.2003:34~53）。经典的导航方式使用地面站测量数据，通过地面测量站对行星探测器进行跟踪测量，获得探测器相对地面测量站的斜距、斜距变化率以及VLBI测量数据。基于复杂的滤波技术，结合其它星历数据对探测器全状态进行估计。这些技术经过多次飞行任务的验证证明是非常可靠而又具有鲁棒性，但是这种观测需要持续不断的测量，同时不能达到实时处理。在太阳系探测范围内，无线电信号延迟可以达到数小时，该方式无法满足行星探测器接近段的实时性要求。

在先技术[2]（参见W.M.Owen,N.Mastrodemos,B.P.Rush.Optical Navigation for Deep Impact.Proceedings of the AAS/AIAASpace Flight Mechanics Meeting:Tampa,Florida,January 22-26,2006:1231～1251）。基于自主光学信息的导航方式由于具有自主性强、精度高、实时性好等优点，成为近年来各国学者研究的热点。其主要实现方式是探测器携带的光学敏感器对目标行星拍照，提取探测器相对目标天***置单位矢量信息，基于此测量信息确定探测器相对目标天体的轨道。探测器相对目标天***置单位矢量测量值对垂直相对速度方向状态的改变比较敏感，而视线方向状态不可观测，因此当探测器接近目标天体过程中相对位置和相对速度的夹角很小时，这种导航方法并不能精确确定探测器三轴的相对轨道状态。

发明内容

本发明的目的在于针对现有深空探测器接近段导航方法自主性差、相对轨道确定精度不高的问题，提供了一种行星探测器接近目标过程中的相对位置确定方法。

一种行星探测器接近目标过程中相对位置确定方法，其技术方案为：行星探测器在接近目标天体的过程中按指定速度释放无线电信标，通过测量无线电信标与行星探测器之间的距离数据，结合行星探测器携带的光学敏感器提取的探测器相对目标天***置单位矢量的测量数据，实现探测器相对目标天***置的确定。具体包括如下步骤：

步骤1，在接近任务实施前，确定行星探测器相对目标天体的相对速度矢量其相对速度值为v。

步骤2，在行星探测器接近目标天体的任务起始时刻t₀，利用行星探测器携带的光学敏感器对目标天体拍照，测量得到t₀时刻探测器相对目标天体的位置单位矢量

步骤3，在t₀时刻，按着指定飞行速度释放无线电信标，使无线电路标对着目标天体飞行。

所述指定飞行速度为

$\sqrt[v]{1-{(\frac{\stackrel{\→}{v}}{v}\·{\stackrel{\→}{n}}_0)}^2}.$

所述无线电信标采用X波段、S波段或UHF波段无线电子探测器，与行星探测器进行通信及测量。

步骤4，在接近过程中的t₁时刻，采用行星探测器携带的光学敏感器测量行星探测器与无线电信标之间的距离ρ₁；

步骤5，在t₁时刻，行星探测器携带的光学敏感器对目标天体拍照，测量探测器相对目标天***置单位矢量

步骤6，利用上述步骤的测量值及ρ₁，计算t₁时刻行星探测器相对目标天体的位置矢量

有益效果

本发明提供了一种利用释放伴飞无线电信标结合目标天体光学测量的行星探测器接近目标相对位置确定方法，该位置确定方法能够自主的确定探测器在接近过程中相对目标天体的轨道，计算量小，简单方便，同时由于引入了伴飞无线电信标的测量信息，能够改进了单纯采用目标天体光学测量的观测构型，提高探测器相对目标天体的轨道确定精度。

附图说明

图1为本发明的行星探测器接近目标过程中相对位置确定方法流程图；

图2为具体实施例中行星探测器接近目标的过程示意图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的与优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本实施例中行星探测器接近目标天体的过程如图2所示，行星探测器接近目标过程中的相对位置确定方法流程如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1，在接近任务实施前确定行星探测器相对目标天体的相对速度矢量其相对速度值为v。本实施例以行星探测器距离目标天体10公里的时刻作为接近任务起始时刻t₀，通过地面观测***测得该时刻的相对速度矢量 $\stackrel{\→}{v}={[100m/s,100m/s,100m/s]}^T.$

步骤2，在行星探测器接近目标天体的起始时刻t₀，利用行星探测器携带的光学敏感器对目标天体拍照，测量t₀时刻探测器相对目标天***置单位矢量

步骤3，在t₀时刻，按着速度释放无线电路标，使无线电路标对着目标天体飞行；

步骤4，在接近过程中的t₁时刻，测量行星探测器与无线电路标信标之间的距离ρ₁；

步骤5，在时刻t₁，行星探测器携带的光学敏感器对目标天体拍照，测量探测器相对目标天***置单位矢量

步骤6，利用以上步骤的测量值及ρ₁，计算t₁时刻行星探测器相对目标天体的位置矢量

通过数学仿真验证采用本发明的方法可以使最终目标相对位置确定精度相比基于地面观测的确定精度提高100米以上，达到250米以内。

Claims (3)

1.一种行星探测器接近目标过程中相对位置确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，在接近任务实施前，确定行星探测器相对目标天体的相对速度矢量其相对速度值为v；

步骤2，在行星探测器接近目标天体的任务起始时刻t₀，行星探测器对目标天体拍照，测量得到t₀时刻探测器相对目标天体的位置单位矢量

步骤3，在t₀时刻，按着指定飞行速度释放无线电信标，使无线电信标对着目标天体飞行；

所述指定飞行速度为

$v\sqrt{1-{(\frac{\stackrel{\→}{v}}{v}\·{\stackrel{\→}{n}}_0)}^2};$

步骤4，在接近过程中的t₁时刻，采用行星探测器携带的光学敏感器测量行星探测器与无线电信标之间的距离ρ₁；

步骤5，在t₁时刻，行星探测器对目标天体拍照，测量探测器相对目标天***置单位矢量

步骤6，利用上述步骤的测量值及ρ₁，计算t₁时刻行星探测器相对目标天体的位置矢量 ${\stackrel{\→}{r}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\stackrel{\→}{n}}_0\·{\stackrel{\→}{n}}_1}{\stackrel{\→}{n}}_1.$

2.根据权利要求1所述的一种行星探测器接近目标过程中相对位置确定方法，其特征在于：所述无线电信标采用X波段、S波段或UHF波段无线电子探测器，与行星探测器进行通信及测量。

3.根据权利要求1所述的一种行星探测器接近目标过程中相对位置确定方法，其特征在于：采用行星探测器携带的光学敏感器对目标天体拍照。