基于火卫二视线测量的火星接近段自主导航算法.pptxVIP

基于火卫二视线测量的火星接近段自主导航算法汇报人：2024-01-14

CATALOGUE目录引言火星接近段动力学模型火卫二视线测量模型自主导航算法设计仿真实验与结果分析实际应用前景与挑战

引言01

自20世纪60年代起，人类就开始了火星探测的历程，随着技术的发展，火星探测任务逐渐从简单的飞越、环绕到着陆、巡视等复杂任务。火星是太阳系中与地球最为相似的行星之一，对其进行探测有助于深入了解太阳系的演化、寻找地外生命以及为未来火星殖民做准备。火星探测任务背景火星探测意义火星探测历程

导航精度需求在火星接近段，由于探测器距离地球较远，通信时延大，地面测控系统难以为探测器提供高精度的导航信息，因此需要依赖自主导航算法。自主能力需求为了实现火星着陆、巡视等复杂任务，探测器需要具备较高的自主能力，包括自主导航、自主控制等，其中自主导航算法是实现自主能力的关键。自主导航算法重要性

利用火卫二（火星的两颗天然卫星之一）与探测器之间的视线方向信息，结合火卫二的轨道参数，通过几何关系解算出探测器的位置和速度信息。火卫二视线测量原理火卫二视线测量已被广泛应用于火星探测任务中，为探测器提供高精度的自主导航信息。同时，该测量原理还可应用于其他行星的卫星视线测量导航中。火卫二视线测量应用火卫二视线测量原理及应用

火星接近段动力学模型02

通过测量和计算得到的火星引力位系数是建立火星引力场模型的基础。火星引力位系数火星的形状和大小对引力场分布有影响，需要考虑火星的非球形引力场。火星形状和大小建立的火星引力场模型需要达到一定的精度要求，以满足导航算法的需求。引力场模型精度火星引力场模型

太阳光压模型光压计算公式太阳光压的计算公式是建立光压模型的基础，需要考虑探测器的形状、反射特性和太阳光的入射角度等因素。探测器姿态变化探测器的姿态变化会影响太阳光压的分布和作用效果，需要在模型中加以考虑。光压模型精度建立的光压模型需要达到一定的精度要求，以保证导航算法的准确性。

03动力学方程求解方法采用数值积分等方法对探测器动力学方程进行求解，得到探测器的轨道和姿态信息。01探测器质心运动方程描述探测器质心在火星引力场和太阳光压作用下的运动方程。02探测器姿态运动方程描述探测器姿态在控制力矩和外界干扰力矩作用下的运动方程。探测器动力学方程

火卫二视线测量模型03

轨道倾角火卫二的轨道倾角较大，导致视线测量时需要考虑三维空间中的几何关系。轨道偏心率火卫二的轨道偏心率较大，使得视线测量时需要考虑火卫二在轨道上的位置变化。轨道周期火卫二绕火星的轨道周期约为30小时，这使得在接近火星的过程中，火卫二的位置和速度变化较快。火卫二轨道特性分析

定义视线方向为从火星中心指向火卫二中心的向量，该向量在火星固连坐标系下表示。视线方向视线夹角视线距离视线方向与火星固连坐标系的某一坐标轴之间的夹角，用于描述视线方向的空间姿态。火星中心到火卫二中心的距离，通过测量火星与火卫二之间的相对位置和速度计算得到。030201视线测量几何关系建立

由于大气扰动、光学系统误差等因素引起的视线测量误差。处理方法包括采用高精度光学系统、进行大气扰动校正等。光学测量误差由于火星引力场模型不准确、火星大气阻力等因素引起的误差。处理方法包括改进火星引力场模型、考虑大气阻力影响等。动力学模型误差由于数据处理算法本身的缺陷或计算误差引起的误差。处理方法包括优化数据处理算法、提高计算精度等。数据处理误差测量误差来源及处理方法

自主导航算法设计04

无迹卡尔曼滤波（UKF）采用无迹变换处理非线性，避免了对雅可比矩阵的显式计算，提高了状态估计精度。粒子滤波（PF）基于蒙特卡罗方法的非线性滤波，适用于强非线性非高斯系统，但计算量较大。扩展卡尔曼滤波（EKF）适用于非线性系统，通过局部线性化方法处理非线性观测和动态模型。状态估计方法选择

状态方程建立根据火星接近段的动力学模型，建立状态方程描述探测器状态随时间的变化。观测方程建立利用火卫二的视线测量信息，构建观测方程描述探测器状态与观测信息之间的关系。滤波器参数设置根据探测器性能、测量精度等要求，设置卡尔曼滤波器的初始状态、过程噪声和测量噪声等参数。卡尔曼滤波器设计

建立火卫二视线测量模型，包括视线方向、视线距离等观测量的计算方法和误差模型。视线测量模型对视线测量数据进行预处理，如野值剔除、数据平滑等，以提高观测数据的质量。观测数据预处理针对视线测量中存在的误差和不确定性，采用数据融合、模型修正等方法对观测模型进行优化，提高导航精度和鲁棒性。观测模型优化观测模型构建与优化

仿真实验与结果分析05

123为模拟实际火星接近段的飞行环境，设计了相应的火星接近轨道，包括初始位置、速度等参数。火星接近段轨道设计采用火卫二作为自然导航信标，建立了基于火卫二视线测量的观测模型，包括视线方