基于器间测量的火星进入过程实时高精度导航

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1、第33卷第6期航天返回与遥感2012年12月SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING17基于器问测量的火星进人过程实时高精度导航陈晓张伟彭玉明(上海卫星工程研究所，上海200240)摘要精确着陆于火星特定目标区域是未来火星着陆探测的关键技术。面向火星精确着陆需求．研究火星进入过程中基于器间测量的实时高精度导航方法具有重要意义该方法利用火星已有的环绕探测器．在着陆器接近进入过程中，通过无线电链路获得量测信息．结合器上滤波算法实时估计着陆器的位置与速度状态仿真结果显示该导航方法可有效提高进入过程中的导航精度关键词火星着陆自主导航器

2、间测量无迹卡尔曼滤波中图分类号：TN967．1文献标识码：A文章编号：1009—85l8(2012)06—0017．07DOI：10．3969d．issn．1009—8518．2012．06．003MarsEntryReal-timeNavigationBasedonOrbiterTrackingDataCHENXiaoZHANGWeiPENGYuming(ShanghaiInstitutionofSatelliteEngineering，Shanghai200240，China)AbstractPrecisionlandingonMarsisthe

3、keytechnologyforthefutureMarsmissions．Toreducelandingerror．anovelnavigationmethodthatusestrackingdatafromotherorbitersiSstudied．Thetrackingdatawouldprovidepseudorangeandrange—ratedatawhichareusedinUKFprocessingtoestimatethelander’Sreal—timenavigationalparameterduringthelanderen

4、tryphase．AnumericalsimulationhasvalidatedthebenefitstoMarsentrynavigationfromthismethod．KeywordsMarslanding；autonomousnavigation；radiotracking；unscentedKalmanfilter1引言火星探测有多种方式，如掠飞、绕飞、撞击等，但是最有价值的还是着陆到火星表面．以着陆探测的方式进行长时间近距离的探测。未来火星探测研究的热点主要集中在对火星表面水的寻找及火星岩石构成等的研究上。一些具有较高科学价值的目标往往

5、在危险区域附近，如弹坑边缘、悬崖附近、崎岖不平的山地中．安全着陆区域小，对探测器的着陆精度和障碍容许能力要求很高。因此能否实现千米量级的火星表面精确着陆是完成上述科学研究的关键要实现火星表面精确软着陆必须经历进入、下降和着陆(Entry,DescentandLanding，EDL)过程虽然整个EDL过程时间很短，只有6-10min，但却是整个探测任务最关键、最危险的环节之一。由于火星环境的特殊，距离地球太远，着陆器EDL过程中双向通信延迟一般达17min以上。因此不能依赖地球上的地面站提供收稿日期：2012—04—01基金项目：上海市科委课题f10d

6、z1110100)~318航天返回与遥感2012年第33卷支持，着陆探测器必须具备高精度自主导航能力[1-3]。当前火星EDL过程通常采用惯性测量单元(InertialMeasurementUnit，IMu)进行轨道递推，受初值影响，且误差随时间积累，导航精度差导航精度低，着陆误差在几百千米的量级1。进入段恰恰又是实现精确着陆的关键阶段，这导致了深入开展火星表面探测的困难，因此迫切需要研究新型高精度自主导航方法。2方法介绍为了解决火星着陆过程中导航信息少、精度差的问题，可以考虑利用火星轨道上已有的或准备发射的航天器来提高进入段导航精度。如图1所示，火

7、星环绕器的轨道可以通过地面站长期测定轨获得．可以认为是已知且精度较高的。着陆器通过无线电测距测速获得与环绕器之间的距离和相对速度信息．进而解算出着陆器的位置和速度。9地面站导航l基于器间测量的实时导航方法示意图Fig．1IllustrationofMarsentryreal——timenavigation无线电测距指利用环绕器对着陆器间单向或双向通信，采用侧音或伪码测量等方法推算两器之间的距离。多普勒测速指根据多普勒效应，通过无线电发射与接收频率的变化计算出环绕器与着陆器之间的相对速度。根据地球卫星的测量结果，在距离lxl0km至数万千米时，这种方式

8、的定位测量精度在米至百米量级理论上只要有3个环绕器就可以实时确定着陆器状态，但是由于火星轨道上资源不如地球上