CN103206955B - 航天器光谱红移自主导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航天器光谱红移自主导航方法，在太阳系，直接利用太阳系天体作为发光源，航天器依靠自身携带的光谱红移测量敏感器接收到光谱信息，根据光谱红移测量值参数，利用航天器星光敏感器测量的航天器姿态信息，获得航天器的速度参数，进而通过积分获得航天器的位置参数。本发明原理简单，方法新颖，是航天器自主导航方法的新突破，拓展了航天器导航手段，提高了导航能力，可实现真正意义上的航天器自主导航，可直接应用于我国深空探测自主导航任务，在深空探测领域具有广阔的应用前景，并可为近地航天器自主导航提供借鉴和参考。

Description

航天器光谱红移自主导航方法

技术领域

本发明涉及一种航天器导航定位新方法，可应用于航天器在轨飞行的导航任务，尤其适用于深空探测领域。

背景技术

航天器太空飞行，导航信息至关重要。目前，常用的导航方法有地面无线电导航、光学导航、天文导航、惯性导航以及组合导航等，这些导航方法和技术的发展已经非常成熟，并广泛应用于航天任务中，但也都有各自的适用范围和局限性，尤其对深空探测，这些局限性使深空自主导航的实现更加困难，从原理上看，这些方法均涉及到三方面的基本内容，一是航天器轨道动力学模型；二是***量观测及建模；三是滤波方法，这三方面直接决定和影响着航天器的导航精度和技术实现的复杂度。

发明内容

航天器光谱红移导航方法是直接利用太阳系天体做光源，根据光谱红移特性测量获得航天器在惯性坐标系下的飞行速度参数，结合航天器姿态信息，通过积分获得航天器在惯性坐标系下的位置参数。在此基础上，结合星光敏感器测量获得姿态角度参数，可进一步提高航天器的导航定位精度。

根据本发明的一个方面，提供一种航天器光谱红移自主导航方法，在太阳系，直接利用太阳系天体作为发光源，航天器依靠自身携带的光谱红移测量敏感器接收到光谱信息，根据光谱红移测量值参数，利用航天器星光敏感器测量的航天器姿态信息，根据光谱信息、太阳系天体星历信息、航天器姿态信息获得航天器的速度参数，进而通过积分获得航天器的位置参数。

优选地，利用太阳、木星、以及地球中的任一个或任多个作为发光源。

优选地，根据多源光谱红移特性测量值参数获得航天器在惯性坐标系下的速度参数。

优选地，航天器姿态信息包括联合恒星敏感器、太阳敏感器测量获得的姿态角度参数。

优选地，具体包括如下步骤：

步骤1：根据光谱红移特征频移公式，当航天器相对于光源运动时，在航天器上接收到的光源频率f_m与地面标定特征频率f₀的关系描述为：

$f_m=f_0\frac{\sqrt{1-\frac{{\left|v\right|}^2}{c^2}}}{1+\frac{v\cos \mathrm{\θ}}{c}}$

其中为航天器在惯性坐标系下的速度，θ为航天器-光源连线与速度的夹角，c为真空中光速；

步骤2：选取天体惯性坐标系OXYZ；

步骤3：在惯性坐标系OXYZ下，测量得到航天器相对第一参考天体（如太阳）的径向速率v_r1（红移测速），航天器相对第二参考天体（如木星）的径向速率v_r2（红移测速），航天器相对第三参考天体（如地球）的径向速率v_r3（红移测速）；

步骤4：在本体系下航天器通过太敏或星敏测得第一参考天***置的单位矢量第二参考天***置的单位矢量第三参考天***置的的单位矢量

步骤5：根据几何关系，得向量方程：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{r1}=v_p\·v_1\\ v_{r2}=v_p\·v_2\\ v_{r3}=v_p\·v_3\end{array}\right.$

其中v₁,v₂,v₃为惯性系下各天体指向航天器位置的单位矢量，通过姿态敏感器获取并结合探测器本体系转换到惯性系的转换矩阵A_ib推导获得，其观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1=A_{\mathrm{ib}}\·v_1^b\\ v_2=A_{\mathrm{ib}}\·v_2^b\\ v_3=A_{\mathrm{ib}}\·v_3^b\end{array}\right.$

v_r1,v_r2,v_r3通过天体红移参数推导获得，其观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{r1}=\frac{f_0}{f_{m1}}\sqrt{c^2-{\left|v_p\right|}^2}-c\\ v_{r2}=\frac{f_0}{f_{m2}}\sqrt{c^2-{\left|v_p\right|}^2}-c\\ v_{r3}=\frac{f_0}{f_{m3}}\sqrt{c^2-{\left|v_p\right|}^2}-c\end{array}\right.$

其中f_m1,f_m2,f_m3分别为航天器接收到的各参考天体光源频率；

由此建立对速度矢量、位置矢量的状态估计方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_p=f(v_1,v_2,v_3,v_{r1},v_{r2},v_{r3})\\ r_p=\∫v_p\mathrm{dt}\end{array}\right.$

给定初值后，通过求解上述方程组，得到航天器在惯性坐标系下的速度矢量v_p及位置矢量r_p。

优选地，在步骤2中，坐标原点O选取为日心、或者地心。

本发明所述航天器光谱红移自主导航方法，不依赖地面无线电信息、不需要航天器轨道动力学方程的介入，仅需要光谱信息、太阳系天体星历信息和航天器姿态信息即可实现航天器飞行过程的自主导航，是高度自主的导航新方法，简单易行，同时，与地面无线电导航方法相比，还具有无时延的明显优势与特点。

本发明原理简单，方法新颖，是航天器自主导航方法的新突破，拓展了航天器导航手段，提高了导航能力，可实现真正意义上的航天器自主导航，可直接应用于我国深空探测自主导航任务，在深空探测领域具有广阔的应用前景，并可为近地航天器自主导航提供借鉴和参考。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为航天器光谱红移自主导航方法原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本方法的基本原理是：在太阳系，直接利用太阳系天体作为发光源，航天器依靠自身携带的光谱红移测量敏感器接收到光信号，根据光谱红移测量值参数，利用航天器星光敏感器测量的姿态信息，通过计算可获得航天器的速度参数，进而通过积分可获得航天器的位置参数。

如图1所示，是航天器光谱红移自主导航原理图，在太阳系，直接利用太阳系天体作为发光源，航天器依靠自身携带的光谱红移测量敏感器接收到光信号，给出光谱红移量，结合航天器姿态信息，通过计算即可获得航天器的速度参数，进而通过积分可获得航天器的位置。

步骤是：

（1）、建立太阳系惯性坐标系OXYZ。

（2）、根据星历，选择光源（3个或多个）：光源A、光源B、光源C。

（3）、在太阳系惯性坐标系OXYZ下，在t时刻，航天器S同时接收到光源A、光源B、光源C的光信号，根据光谱红移测量值，结合航天器姿态信息，通过计算，得出航天器S在惯性坐标系下的速度矢量。

（4）、根据步骤（3）获得的航天器S在惯性坐标系的速度矢量，通过积分，得出航天器S在惯性坐标系下的位置。

（5）、在步骤（3）和步骤（4）的基础上，在结合航天器S自身携带的星光敏感器获得的姿态角度参数，进一步消除定位积分误差，提高航天器S的自主导航定位精度。

本方法的具体描述如下：

已知：

1、根据光谱红移特征频移公式，当航天器相对于光源运动时，在航天器上接收到的光源频率f_m与地面标定特征频率f₀的关系可描述为：

$f_m=f_0\frac{\sqrt{1-\frac{{\left|v\right|}^2}{c^2}}}{1+\frac{v\cos \mathrm{\θ}}{c}}$

其中为航天器在惯性坐标系下的速度，θ为航天器-光源连线与速度的夹角，c为真空中光速。

2、根据需要选取天体惯性坐标系OXYZ。坐标原点O可根据导航需求选取，如日心、地心等。

3、在惯性坐标系OXYZ下，航天器相对第一参考天体（如太阳）的径向速率v_r1（红移测速）。

4、航天器相对第二参考天体（如木星）的径向速率v_r2（红移测速）。

5、航天器相对第三参考天体（如地球）的径向速率v_r3（红移测速）。

6、在本体系下航天器测得的第一参考天***置的单位矢量（通过太敏或星敏测量）。

7、在本体系下航天器测得的第二参考天***置的单位矢量（通过太敏或星敏测量）。

8、在本体系下航天器测得的第三参考天***置的的单位矢量（通过太敏或星敏测量）。

求解：

在惯性坐标系OXYZ下，航天器的速度矢量v_p和位置矢量r_p。

求解过程：

根据几何关系，可得向量方程：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{r1}=v_p\·v_1\\ v_{r2}=v_p\·v_2\\ v_{r3}=v_p\·v_3\end{array}\right.$

其中v₁,v₂,v₃为惯性系下各天体指向航天器位置的单位矢量，可通过太敏、星敏等姿态敏感器获取并结合探测器本体系转换到惯性系的转换矩阵A_ib推导获得，其观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1=A_{\mathrm{ib}}\·v_1^b\\ v_2=A_{\mathrm{ib}}\·v_2^b\\ v_3=A_{\mathrm{ib}}\·v_3^b\end{array}\right.$

v_r1,v_r2,v_r3通过天体红移参数推导获得，其观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{r1}=\frac{f_0}{f_{m1}}\sqrt{c^2-{\left|v_p\right|}^2}-c\\ v_{r2}=\frac{f_0}{f_{m2}}\sqrt{c^2-{\left|v_p\right|}^2}-c\\ v_{r3}=\frac{f_0}{f_{m3}}\sqrt{c^2-{\left|v_p\right|}^2}-c\end{array}\right.$

其中f_m1,f_m2,f_m3分别为航天器接收到的各参考天体光源频率。

由此可建立对速度矢量、位置矢量的状态估计方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_p=f(v_1,v_2,v_3,v_{r1},v_{r2},v_{r3})\\ r_p=\∫v_p\mathrm{dt}\end{array}\right.$

给定初值后，通过求解上述方程组，可得到航天器在惯性坐标系下的速度矢量v_p及位置矢量r_p。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种航天器光谱红移自主导航方法，其特征在于，在太阳系，直接利用太阳系天体作为发光源，航天器依靠自身携带的光谱红移测量敏感器接收到光谱信息，根据光谱红移测量值参数，利用航天器星光敏感器测量的航天器姿态信息，获得航天器的速度参数，进而通过积分获得航天器的位置参数；

利用太阳、木星、以及地球中的任一个或任多个作为发光源；

具体包括如下步骤：

步骤1：根据光谱红移特征频移公式，当航天器相对于光源运动时，在航天器上接收到的光源频率f_m与地面标定特征频率f₀的关系描述为：

$f_m=f_0\frac{\sqrt{1-\frac{{\left|v\right|}^2}{c^2}}}{1+\frac{v\cos \mathrm{\θ}}{c}}$

其中v为航天器在惯性坐标系下的速度，θ为航天器-光源连线与速度v的夹角，c为真空中光速；

步骤2：选取天体惯性坐标系OXYZ；

步骤3：在惯性坐标系OXYZ下，测量得到航天器相对第一参考天体的径向速率v_r1，航天器相对第二参考天体的径向速率v_r2，航天器相对第三参考天体的径向速率v_r3；

步骤4：在本体系下航天器通过太敏或星敏测得第一参考天***置的单位矢量第二参考天***置的单位矢量第三参考天***置的的单位矢量

步骤5：根据几何关系，得向量方程：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{r1}=V_p\·v_1\\ v_{r2}=V_p\·v_2\\ v_{r3}=V_p\·v_3\end{array}\right.$

其中v₁,v₂,v₃为惯性系下各天体指向航天器位置的单位矢量，通过姿态敏感器获取并结合探测器本体系转换到惯性系的转换矩阵A_ib推导获得，其观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1=A_{ib}\·v_1^b\\ v_2=A_{ib}\·v_2^b\\ v_3=A_{ib}\·v_3^b\end{array}\right.$

v_r1,v_r2,v_r3通过天体红移参数推导获得，其观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{r1}=\frac{f_0}{f_{m1}}\sqrt{c^2-{\left|v_p\right|}^2}-c\\ v_{r2}=\frac{f_0}{f_{m2}}\sqrt{c^2-{\left|v_p\right|}^2}-c\\ v_{r3}=\frac{f_0}{f_{m3}}\sqrt{c^2-{\left|v_p\right|}^2}-c\end{array}\right.$

其中f_m1,f_m2,f_m3分别为航天器接收到的各参考天体光源频率；

由此建立对速度矢量、位置矢量的状态估计方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_p=f(v_1,v_2,v_3,v_{r1},v_{r2},v_{r3})\\ r_p=\∫v_{p}dt\end{array}\right.$

给定初值后，通过求解上述方程组，得到航天器在惯性坐标系下的速度矢量v_p及位置矢量r_p。

2.根据权利要求1所述的航天器光谱红移自主导航方法，其特征在于，根据多源光谱红移特性测量值参数获得航天器在惯性坐标系下的速度参数。

3.根据权利要求1所述的航天器光谱红移自主导航方法，其特征在于，航天器姿态信息包括联合恒星敏感器、太阳敏感器测量获得的姿态角度参数。

4.根据权利要求1所述的航天器光谱红移自主导航方法，其特征在于，在步骤2中，坐标原点O选取为日心、或者地心。