深空探测器小天体交会段自主导航方法研究

　　深空探测的远距离会导致利用地面测控站跟踪探测器的导航方式有较长时间的通讯延迟,而且由于距离关系GPS(Global Positioning System)不适合用于深空导航[1]。在未来的深空探测中将用多个小型探测器同时探测太阳系,为了减少操作的复杂性和降低任务的费用,深空探测器的操作系统将全部或部分自主化[2],而自主导航系统是探测器自主操作必需的部分[3]。到目前为止,自主导航技术已经在国际上几个小天体探测任务中得到应用,如NASA的深空1号,欧空局的罗塞塔(Rosetta),日本的MUSES-C等,并取得成功,自主导航必将成为未来深空探测导航技术发展的方向。

　　1　问题的提出

　　深空探测最基本的导航方式是利用X波段和多普勒测距来完成的[4-5]。误差分析表明这种导航方案足以完成深空段的轨道机动、地球借力和返回地球的需要等。但是对于小天体的交会(飞越)段来说,由于目标天体星历误差很大(大约1500km),使得仅利用上述数据导航不能满足精度需求。在接近目标天体时,必须利用探测器上的相机提高对目标天体星历的预测精度,以满足交会初始时需要的精度(120km~150km)。一般来说,在接近目标天体阶段,从导航相机能分辨目标天体起,开始进行拍照。利用图像信息和地面测轨来提高定轨精度和星历误差,并计算和执行轨道机动,将探测器送到预定的交会初始位置,并启动自主目标天体跟踪程序,开始与目标天体交会。

　　在深空探测交会段,由于探测器与目标天体的交会距离一般大于100km,且目标天体很小(半径一般在几千米左右),其引力非常小,飞越时间短,这样可以忽略不计其引力引起的探测器轨道变化。同时在小于1h的飞越过程中,太阳引力、太阳光压摄动以及其他九大行星的引力摄动都可以忽略不计,且在交会段一般没有轨道机动过程。在这样的前提下,探测器轨道动力学模型在以目标天体为中心的相对坐标系下可描述为:

　　　其中,X t,X ·t分别是探测器在以目标天体为中心的相对坐标系中的位置和速度矢量;X t0,X ·t0分别是交会段初始时刻探测器相对目标天体的位置和速度。

　　2　交会段自主导航方法

　　在深空探测中,由于距离的影响,使得地面上的导航测控站都不能发挥作用,必须寻求不依赖于地面站的导航方式,为此引出下文的自主导航方法。

　　2. 1　图像测量自主导航方法

　　对导航相机拍摄的目标天体图像进行处理,可得到探测器在目标天体相对坐标中的方位信息,以此为观测量建立自主导航滤波算法,可对探测器的相对位置进行估计。

　　深空探测飞行器上的成像系统(导航相机)通常由相机、反射镜、潜望镜组成。相机固定安装在探测器上,光轴指向体轴的-Y方向,反射镜斜装成与相机光轴成45°角,且能绕Y轴转动。实际成像光轴指向在XZ平面内,随着反射镜转动而转动,且有如下规律: 0°反射镜转角对应于光轴指向+X, 90°反射镜转角对应于光轴指向-Z, 180°反射镜转角对应于光轴指向-X。在交会初始时刻,探测器姿态调整为X轴指向目标天体为中心的相对坐标系下探测器速度矢量方向,探测器本体坐标系的X-Z平面恰好与目标天体为中心的相对坐标系下探测器轨道平面重合。假如交会时位置误差和姿态误差均为零,则目标天体恰好在探测器本体坐标系的-Z轴方向,具体关系如图1。