基于改进动静态滤波的脉冲星∕CNS深空探测组合导航方法

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1、中国空间科学技术2013年10月基于改进动静态滤波的脉冲星／CNS深空探测组合导航方法王奕迪1郑伟1‘2安雪滢1孙守明3(1国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙410073)(2空间智能控制技术国家级重点实验室，北京100190)(3西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室，西安710048)摘要为了提高深空探测器的自主导航系统性能，文章提出一种基于改进动静态滤波的脉冲星／cNS组合导航方法。脉冲星观测数据和星光角距信息通过改进动静态滤波器进行信息融合。其中，动态滤波采用UKF处理采样速率快、测量方程非线性强的星光角距测量量，静态滤波采用EKF处理采样速率慢、测

2、量方程线性特征明显的脉冲星测量量，其运行周期可以是动态滤波的若干倍。利用该改进动静态滤波进行组合导航，可避免联邦滤波器中由于各局部滤波器采用相同的状态方程而导致的融合滤波结果不具备最优性的问题。仿真分析表明，基于所提出的组合导航系统，深空探测器的导航精度可提高至10km以内。关键词脉冲星导航组合导航自主导航信息融合深空探测DOI：10．3780／j．issn．1000758X．2013．05．0041引言深空探测是21世纪航天活动的热点之一。自主导航技术作为深空探测的一项关键技术，能够降低深空探测器对地面支持系统的依赖，增强深空探测器的应用潜力[1]。X射线脉冲星是

3、一种高速旋转的中子星，其自转周期高度稳定[2]。利用脉冲星的周期信号为航天器提供导航信标，可有效提高深空探测器的生存能力，并可避免传统天文导航存在的适用空问有限的问题。基于x射线脉冲星的航天器自主导航方法一经提出，便得到了广泛的关注[3。7]。然而，X射线脉冲星的信号微弱且不连续。为了获得具有较佳信噪比的信号，必须进行长时间的观测。在观测时间内，由轨道外推所引入的导航误差无法忽略。考虑到基于星光角距测量信息的传统天文导航系统(CelestialNavigationSystem，CNS)具有观测时问短的特点，可以将脉冲星导航的测量信息与传统天文导航的星光角距测量信息相

4、互融合，以完成精确、稳定的自主导航任务。为了提高深空探测自主导航系统的性能，本文提出一种基于动静态滤波的脉冲星／CNS组合导航方法。基于脉冲星／CNS组合导航系统具有线性／非线性混合的特点，进而提出基于无迹卡尔曼滤波(UnscentedKalmanFilter，UKF)和扩展卡尔曼滤波(ExtendedKalmanFilter，EKF)的动静态滤波器。其中，动态滤波采用UKF来处理采样速率快、测量方程非线性强的星光角距测量信息，静态滤波采用EKF来处理采样速率慢、测量方程线性特征明显的脉冲星测量信息，其运行周期可以是动态滤波器的几倍乃至几十倍。利用典型的深空导航任务

5、，通过仿真分析验证了所提方法的有效性与可行性。国家自然科学基金(10973048)，航天飞行动力学技术重点实验室开放基金(AFDI。2012002)资助项目收稿日期：20121031。收修改稿日期：2013-01252013年10月中国空间科学技术深空探测的动力学模型在国际天球参考框架中，建立深空探测器的动力学模型为r≯]rl，]rw，]H—l刊+驯n’式中x—I-r，v]1为深空探测器的状态矢量；w一[”，w。]1为状态噪声矢量，可作为零均值高斯白噪声，其协方差阵为Q；f为单位质量的深空探测器所受到的力，可表示为凹1"0，一一笋，．+圣p。(≥一蓑)+△Fc2，式

6、中r为深空探测器相对于太阳系质心(SolarSystemBarycenter，SSB)的距离；肛，为太阳的引力常数；卢：为第i个摄动天体的引力常数；咒，为摄动天体的个数；，．。为第i个摄动天体相对于SSB的位置矢量，r。为相应的距离；r血为深空探测器相对于第i个摄动天体的位置矢量，％为相应的距离。△F为太阳光压等影响深空探测器位置的摄动加速度。3脉冲星导航的测量原理脉冲星导航的基本测量量是脉冲星发出的脉冲到达深空探测器的时间与脉冲到达SSB的预估时间之差。其中，脉冲到达SSB的预估时间(f。。。)可以通过脉冲星的时间相位模型获得Ⅲ。考虑几何时延以及广义相对论效应，脉

7、冲到达深空探测器的时间(t。。)在SSB处的坐标时(；sSB)m3为t～SSB—tsc+孚!+等·叫告剖哥+，卜cc。n·刀十f

8、口

9、f瓦1[(挖‘rsc)2一IIrscII2+2(n·6)(n‘rsc)一2(b‘，．sc)](3)式中n为脉冲星的方向矢量；r～。。为深空探测器在SSB坐标系中的导航位置矢量；c为光速；b为SSB相对于太阳质心的位置矢量；D。为脉冲星到太阳的距离。根据式(3)，将tssB展开为嫱。气。+半+辱C，ni譬n甜+，卜c。·口十

10、

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13、夏每[(n‘rsc)2一IIrscII2+2(n·6)(n‘rsc)一2(b‘rsc)](4)式中r