技术摘要：
本发明涉及一种月球探测器测角/时间差分距离/速度组合导航方法，首先根据轨道动力学建立探测器的状态模型，再分别利用天体敏感器获得星光角距，无线电接收机接收来自地面站或中继卫星的无线电距离和多普勒速度并进行时间差分获得无线电时间差分距离和时间差分多普勒速  全部
背景技术：
深空探测技术作为一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要特征与标志，已 引起世界各国的极大关注。我国把月球探测作为在深空探测中的第一步。“嫦娥四号”作为 我国发射的世界首个在月球背面巡视探测的探测器，对月球背面的科学探索发挥着重要的 作用。高精度导航是任务完成的关键之一。 目前，航天器主要通过地面站遥测导航，但是对于月球背面，存在着无法直接与地 球通信的局限性，因此迫切需要实现自主导航。可用于月球探测器的自主导航方法主要有 天文测角导航方法。天文测角导航方法通过测量探测器与近天体及导航恒星之间的夹角获 得探测器的位置信息，但这种方法的导航精度随着探测器与近天体间距离的增加而下降， 且无法提供速度信息。地面站或中继卫星(鹊桥)无线电通讯导航可以同时提供距离和速度 信息，且只需接收无需回传无线电信号，从而实现自主导航信息处理。但是接收机的频率漂 移误差及星载原子钟的时间测量误差差将影响无线电通讯导航精度。
技术实现要素：
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种月球探测器测角/时间差分 距离/速度组合导航方法，利用星光角距量测量提供绝对位置信息，利用无线电时间差分距 离和速度减弱系统误差的影响，提供探测器相对地面站或中继卫星(鹊桥)位置与速度信 息，将三种量测量通过UKF滤波组合，为月球探测器提供高精度的导航信息。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：根据轨道动力学建立探测器的状态 模型，利用天体敏感器获得星光角距，利用无线电测距获得探测器相对地面站或中继卫星 (鹊桥)的时间差分距离，同时通过无线电多普勒测速获得探测器与地面站或中继卫星(鹊 桥)之间的时间差分多普勒速度，然后分别建立星光角距量测模型、无线电时间差分距离和 无线电时间差分速度量测模型。离散化后使用UKF滤波估计探测器的位置和速度。 具体包括以下步骤： 1.建立基于轨道动力学的系统状态模型 将月球探测器的运动描述为以月球为中心天体的受摄三体模型，将其他扰动视为 过程噪声；在月球中心惯性坐标系下的动力学模型可写为： 其中||·||表示矢量的2范数，||·||3表示||·||的立方，r和v是探测器相对月 球的位置和速度。μm和μe分别是月球和地球的引力常数，re是地球相对月球的位置矢量，rme 5 CN 111551172 A 说　明　书 2/9 页 ＝r-re是探测器相对地球的位置矢量；w是各种扰动造成的过程噪声； 可由上式得到状态模型如下： 其中状态量X＝[r,v]T为探测器在月球惯性坐标系下的位置及速度， 为状态量X 的导数， 为时刻t的 f(X(t) ,t)为系统非线性连续状态转移函数，w为过程噪声，w (t)为时刻t的w。 2.建立星光角距的量测模型 利用天体敏感器获得月球与恒星一、恒星二间的星光角距，以这些星光角距作为 量测量建立量测模型： 其中α1(t)及α2(t)分别是月球与恒星一及恒二间的星光角距，s1、s2分别是惯性系 下两颗恒星的方向矢量。 把这些星光角距作为量测量Z1＝[α(t) ,α(t)]T1 2 ，可建立星光角距量测模型的表 达式： Z1＝[α1(t) ,α2(t)]T＝h1[X(t) ,t] v1(t)     (4) 其中h1[X(t) ,t]表示星光角距的非线性连续量测函数，v1(t)表示t时刻星光角距 的量测噪声。 3.建立无线电时间差分距离的量测模型 利用地面站或中继卫星(鹊桥)通过无线电测距获得探测器相对地面站或者中继 卫星(鹊桥)之间的距离ρ： ρ＝c·(tr-ts Δt)     (5) 其中tr表示探测器接收到无线电信号的时间，c为光速，ts表示地面站或者中继卫 星(鹊桥)发出无线电信号的时间，Δt是时间的测量误差。 建立探测器与地面或者中继卫星(鹊桥)之间的距离量测模型为： ρ＝|r-rs|     (6) 其中rs是地面站或者中继卫星(鹊桥)在月球惯性系下的位置矢量。 根据式(5)可以获得无线电时间差分距离的量测量： Δρ(t)＝ρ(t)-ρ(t-1)＝c(tr(t)-ts(t)-tr(t-1) ts(t-1))     (7) 其中ρ(t)及ρ(t-1)分别表示t时刻及t-1时刻探测器到地面站或中继卫星(鹊桥) 的距离，ts(t)及ts(t-1)分别表示t时刻及t-1时刻地面站或者中继卫星(鹊桥)发出无线电 信号的时间，tr(t)及tr(t-1)分别表示t时刻及t-1时刻探测器接收到无线电信号的时间。从 式(7)中可以看出，通过时间差分时间的量测误差Δt被消除了。 建立无线电时间差分距离的量测模型： Δρ(t)＝|r(t)-rs(t)|-r|(t-1)-rs(t-1)| vρ(t)     (8) 6 CN 111551172 A 说　明　书 3/9 页 其中Δρ(t)表示t时刻探测器到地面站或者中继卫星(鹊桥)的无线电时间差分的 距离，r(t)及r(t-1)分别表示t时刻及t-1时刻探测器在月心惯性系下的位置矢量，rs(t)及 rs(t-1)分别表示t时刻及t-1时刻地面站或者中继卫星(鹊桥)在月心惯性系下的位置矢 量，vρ(t)为t时刻的量测误差。 把探测器到地面站或者中继卫星(鹊桥)无线电时间差分距离作为量测量Z2＝[Δ ρ(t)]，可建立无线电时间差分距离的量测模型的表达式： Z2＝[Δρ(t)]＝h2[X(t) ,X(t-1)] v2(t)     (9) 其中h2[X(t) ,X(t-1)]表示无线电时间差分距离的非线性连续量测函数，v2(t)表 示t时刻无线电时间差分距离的量测噪声；用t-1时刻的后验状态估计 代替X(t-1)， 则无线电时间差分距离的量测模型的表达式可写为： Z2＝[Δρ(t)]＝[|r(t)-rs(t)|-|r(t-1)-rs(t-1)|] vρ(t)＝h2[X(t),t] v2(t)   (10) 其中Δρ(t)表示t时刻探测器到地面站或者中继卫星的无线电时间差分的距离，r (t)及r(t-1)分别表示t时刻及t-1时刻探测器在月心惯性系下的位置矢量，rs(t)及rs(t-1) 分别表示t时刻及t-1时刻地面站或者中继卫星在月心惯性系下的位置矢量，vρ(t)为t时刻 的量测误差，h2[X(t) ,t]表示无线电时间差分距离的非线性连续量测函数，v2(t)表示t时刻 无线电时间差分距离的量测噪声。 4.建立无线电时间差分多普勒速度的量测模型 通过测量地面站或者中继卫星(鹊桥)发射的无线电信号到达探测器时的多普勒 频移，可以计算出探测器与地面站或者中继卫星(鹊桥)间的相对速度 其中 表示探测器相对地面站或者中继卫星(鹊桥)的多普勒速度，c为光速，fr为 探测器接收的无线电信号的频率，fs为地面站或中继卫星(鹊桥)发射的无线电信号的频 率，Δf为频率测量误差。 建立无线电多普勒速度的量测模型： 无线电时间差分多普勒速度的量测量： 其中 表示表示t时刻探测器相对地面站或者中继卫星(鹊桥)的时间差分多 普勒速度量测量，fr(t)和fr(t-1)分别为t和(t-1)时刻探测器接收的无线电信号的频率，fs (t)和fs(t-1)分别为t和(t-1)时刻地面站或中继卫星(鹊桥)发射的无线电信号的频率。从 式(13)中可以看出，通过时间差分频率的量测误差Δf被消除了。 建立无线电时间差分多普勒速度的量测模型： 其中，v(t)和v(t-1)分别为t和(t-1)时刻探测器的速度，r(t)和r(t-1)分别为t和 (t-1)时刻探测器在月心惯性系下的位置矢量，rs(t)和rs(t-1)分别为t和(t-1)时刻地面站 7 CN 111551172 A 说　明　书 4/9 页 或者中继卫星(鹊桥)的位置矢量， 为t时刻的量测误差。 把无线电时间差分多普勒速度作为量测量 可建立无线电时间差分多 普勒速度量测模型的表达式： 其中h3[X(t) ,X(t-1)].表示无线电时间差分多普勒速度的非线性连续量测函数， v3(t)表示t时刻无线电时间差分多普勒速度的量测误差；用t-1时刻的后验状态估计 代替X(t-1)，则无线电时间差分多普勒速度量测模型的表达式可写为： 其中 表示表示t时刻探测器相对地面站或者中继卫星的时间差分多普勒速 度量测量，v(t)和v(t-1)分别为t和(t-1)时刻探测器的速度，r(t)和r(t-1)分别为t和(t- 1)时刻探测器在月心惯性系下的位置矢量，rs(t)和rs(t-1)分别为t和(t-1)时刻地面站或 者中继卫星在月心惯性系下的位置矢量， 为t时刻的量测误差，h3[X(t) ,t]表示无线 电时间差分多普勒速度的非线性连续量测函数，v3(t)表示t时刻无线电时间差分多普勒速 度的量测噪声。 5.进行离散化 导航系统的量测量为Z＝[Z T1,Z2,Z3] ，量测噪声v＝[v1,v2,v3]T，导航系统模型为： 其中h[X(t) ,t]表示导航系统的非线性连续量测函数； 对式(17)进行离散化： 其中Zk表示k时刻系统的量测量，H(Xk,k)为h[X(t) ,t]离散后的非线性量测函数， Vk表示v(t)离散后的等效噪声。 6.进行UKF滤波获得探测器的位置速度估计 对离散化后的系统状态模型和量测模型通过UKF进行滤波获得后验状态估计 及后验误差协方差 将 及 输出，同时将这些估计值返回滤波器，用于获得k 1时刻 的输出。 本发明的原理是：利用星光角距获得完全可观测的探测器位置信息，但精度不高， 且无法获得探测器的速度信息。利用前后时刻获得的探测器相对地面站或中继星(鹊桥)距 离速度的量测量通过时间差分得到时间差分探测器相对地面无线电站的距离以及多普勒 速度，可以减弱无线电导航中接收机的频率漂移及星载原子钟钟差的影响，获得高精度的 位置速度信息。根据轨道动力学建立探测器的状态模型，分别建立星光角距量测模型、无线 电时间差分距离量测模型及无线电时间差分多普勒速度量测模型，离散化后使用UKF滤波 得到探测器高精度的位置和速度。 8 CN 111551172 A 说　明　书 5/9 页 本发明与现有技术相比的优点在于： (1)利用无线电时间差分距离和无线电时间差分多普勒速度获得高精度的位置信 息和速度信息，实现对探测器的高精度自主导航。 (2)本发明估计精度高，对探测器自主导航具有重要的实际意义。 附图说明 图1为本发明中月球探测器天文测角/无线电时间差分距离/差分速度组合导航方 法流程图； 图2为本发明中星光角距量测模型示意图； 图3为本发明中无线电测距/测速导航原理示意图。