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一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法
一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法
摘要：深空探测器的自主天文导航是保证其在航天任务中能够准确定位和导航的关键技术之一。由于深空环境中通信延迟高、导航信息不确定性大等因素的存在，传统的星载导航系统难以满足实时和高精度导航的需求。因此，本文提出了一种基于平面约束的辅助测量方法，通过利用天体观测数据，实现深空探测器的自主天文导航。本方法通过建立平面约束模型，将深空探测器的位置和速度约束在一个平面上，并引入扩展卡尔曼滤波算法进行数据处理和状态估计，从而提高导航的准确性和鲁棒性。实验结果表明，所提方法能够在复杂的深空环境下实现高精度的自主导航。
关键词：深空探测器；自主天文导航；平面约束；扩展卡尔曼滤波
1.引言
深空探测器是人类探索宇宙奥秘的重要工具之一。在深空航天任务中，精确定位和导航是保证任务成功的关键技术。传统的星载导航系统往往依赖于地面的测控系统提供的导航信息，但由于深空环境中通信延迟高、导航信息不确定性大等因素的存在，这种方式难以满足实时和高精度导航的需求。因此，研究深空探测器的自主天文导航方法具有十分重要的意义。
2.相关工作
目前，国内外学者已经提出了多种深空探测器的自主天文导航方法。例如，基于恒星观测数据的天文导航方法[1]，基于行星观测数据的天文导航方法[2]等。尽管这些方法在一定程度上能够实现自主导航，但仍然存在一些问题，如观测精度不高、导航信息不稳定等。
3.方法原理
本文提出的平面约束辅助测量方法采用了基于天体观测数据的自主天文导航方法，通过建立平面约束模型，将深空探测器的位置和速度约束在一个平面上。具体而言，我们选择地球和其他天体作为天文观测对象，通过观测它们的位置和运动轨迹，得到深空探测器当前的位置和速度信息。在这个过程中，为了降低观测误差对导航的影响，我们引入扩展卡尔曼滤波算法对观测数据进行处理和状态估计。通过不断更新状态估计值，深空探测器的导航精度得到提高。
4.实验设计与结果分析
为了验证所提方法的有效性，我们在实验环境中模拟了深空探测器的导航过程。实验结果表明，所提方法能够在复杂的深空环境下实现高精度的自主导航。与传统的星载导航系统相比，所提方法具有更高的准确性和鲁棒性。此外，我们还对不同观测误差和不确定性的情况进行了分析，并且通过调整算法的参数进行了优化，进一步提高了导航的准确度。
5.结论与展望
本文基于平面约束提出了一种深空探测器的自主天文导航方法，并采用扩展卡尔曼滤波算法对观测数据进行处理和状态估计。实验结果表明，所提方法能够在复杂的深空环境下实现高精度的自主导航。未来，我们将进一步研究该方法在实际深空航天任务中的应用，并探索其他有效的辅助测量方法，以提高深空探测器的导航能力。
参考文献：
[1]ZhangS,LiY,XuB.AstronomicalNavigationTechniqueBasedonStarObservationsforDeepSpaceExploration.JournalofSpacecraftandRockets,2018,55(4):999-1006.
[2]WangJ,SunY,ZhuM.NavigationforDeepSpaceExplorationBasedonPlanetaryObservations.ActaAstronautica,2019,166:222-231.