本发明属于自主轨道确定领域，涉及一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法。
背景技术：
火星探测器在长期环火飞行过程中，对火星进行全球遥感探测，导航是整器进行姿态基准计算的基础。
地球卫星轨道计算一般根据地面测定轨提供轨道初值，在线进行轨道递推或利用星载gnss设备解算高精度轨道数据。然而对于火星探测器而言，在环绕火星飞行过程中，具有器地距离远，无gnss可用的特点，单纯借鉴地球卫星的轨道计算方法存在可测窗口狭窄，无gnss可用，信息延迟大，自主性差的问题，为提高火星环绕器轨道计算的可靠性及轨道计算的精度，需要降低对地面的依赖度，实现自主轨道计算。
此外，目前广泛应用的的线性化导航算法舍弃高阶项，精度较差。无法满足火星探测器环火探测的要求。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，实现了探测器在自主导航过程中，能够利用火星探测器的全力场模型，提高了轨道自主确定的精度。
本发明解决技术的方案是：
一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，包括如下步骤：
步骤一、测量当前周期火星探测器的状态量
步骤二、根据火星探测器轨道动力学模型，对各特征点分别以当前周期的状态量为初值，递推各特征点下一周期的状态量
步骤三、根据各特征点下一周期的状态量
步骤四、计算下一周期第i个特征点的测量预测值
步骤五、根据测量噪声常值矩阵r，计算当前周期火星探测器的测量量协方差pyy和测量-状态量协方差pxy；
步骤六、计算下一周期的增益值kk 1；并根据下一周期的增益值kk 1计算下一周期火星探测器的状态量
在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤一中，所述sigma点集的建立方法为：
以当前火星探测器位置为中心，建立球体，在球体表面随机选取13个特征点，即为sigma点集；每个特征点表示在球体表面对应位置的状态量。
在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，各特征点的状态量的计算方法为：
令
式中，
spi表示第i个sigma点；
pci表示6×1常值矩阵，
在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤二中，所述火星探测器轨道动力学模型的环境参数设置为：
火星为中心引力体；火星的引力为4阶非球形引力；动力学模型包括太阳引力和太阳光压摄动模型。
在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤三中，当前周期的近似无迹均值
式中，ω0＝0.25；
ω1＝0.0625；
近似无迹状态量协方差
式中，为6×6的矩阵，其中对角线值为1000，其余值为0。
在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤四中，下一周期第i个特征点的测量预测值
下一周期测量预测均值
在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤五中，测量量协方差pyy的计算方法为：
式中，i＝2，3，……，13；
测量-状态量协方差pxy的计算方法为：
在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述测量噪声常值矩阵r为角线为5×e-13的四阶方阵。
在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤六中，下一周期的增益值kk 1的计算方法为：
在上述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，所述步骤六中，下一周期火星探测器的状态量
式中，ys为测量得到的火星探测器指向火星的单位矢量和火星的视半径。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，突破了轨道动力学非线性严重的问题，使得火星探测器自主导航的精度得到提高。解决了环火期间长期运行的自主轨道计算问题，能够节省地面测控资源，并提高火星探测器在轨安全性。
(2)本发明计算当前状态量的sigma特征点，提高了一步预测的准确度；
(3)本发明通过采用球形无迹变换的方法，提高了自主导航的精度。
附图说明
图1为本发明环火轨道自主导航流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
探测器自主轨道确定时根据星敏感器输出的姿态四元数和导航敏感器输出的轨道信息计算火星惯性系下探测器的位置，利用球形无迹变换的基本原理构造滤波算法，实时估计探测器的位置，速度。与现有技术相比，其有益效果是：一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，使探测器在自主导航过程中，能够利用火星探测器的全力场模型，提高了轨道自主确定的精度。
如图1所示，环火轨道自主导航方法，主要包括如下步骤：
步骤一、测量当前周期火星探测器的状态量
以当前火星探测器位置为中心，建立球体，在球体表面随机选取13个特征点，即为sigma点集；每个特征点表示在球体表面对应位置的状态量。
各特征点的状态量的计算方法为：
令
式中，
spi表示第i个sigma点；
pci表示6×1常值矩阵，
步骤二、根据火星探测器轨道动力学模型，对各特征点分别以当前周期的状态量为初值，递推各特征点下一周期的状态量
火星为中心引力体；火星的引力为4阶非球形引力；动力学模型包括太阳引力和太阳光压摄动模型。
步骤三、根据各特征点下一周期的状态量
式中，ω0＝0.25；
ω1＝0.0625；
近似无迹状态量协方差
式中，为6×6的矩阵，其中对角线值为1000，其余值为0。
步骤四、根据观测机理，计算火星探测器指向火星的单位矢量以及火星的视半径，作为测量量的预测值；计算下一周期第i个特征点的测量预测值
下一周期测量预测均值
步骤五、根据测量噪声常值矩阵r，计算当前周期火星探测器的测量量协方差pyy和测量-状态量协方差pxy；测量量协方差pyy的计算方法为：
式中，i＝2，3，……，13；
测量-状态量协方差pxy的计算方法为：
步骤六、计算下一周期的增益值kk 1；并根据下一周期的增益值kk 1计算下一周期火星探测器的状态量
下一周期火星探测器的状态量
式中，ys为测量得到的火星探测器指向火星的单位矢量和火星的视半径。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
1.一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、测量当前周期火星探测器的状态量
步骤二、根据火星探测器轨道动力学模型，对各特征点分别以当前周期的状态量为初值，递推各特征点下一周期的状态量
步骤三、根据各特征点下一周期的状态量
步骤四、计算下一周期第i个特征点的测量预测值
步骤五、根据测量噪声常值矩阵r，计算当前周期火星探测器的测量量协方差pyy和测量-状态量协方差pxy；
步骤六、计算下一周期的增益值kk 1；并根据下一周期的增益值kk 1计算下一周期火星探测器的状态量
2.根据权利要求1所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：所述步骤一中，所述sigma点集的建立方法为：
以当前火星探测器位置为中心，建立球体，在球体表面随机选取13个特征点，即为sigma点集；每个特征点表示在球体表面对应位置的状态量。
3.根据权利要求2所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：各特征点的状态量的计算方法为：
令
式中，
spi表示第i个sigma点；
pci表示6×1常值矩阵，pci＝-pci-6,i＝7,8,9,10,11,12。
4.根据权利要求3所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：所述步骤二中，所述火星探测器轨道动力学模型的环境参数设置为：
火星为中心引力体；火星的引力为4阶非球形引力；动力学模型包括太阳引力和太阳光压摄动模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：所述步骤三中，当前周期的近似无迹均值
式中，ω0＝0.25；
ω1＝0.0625；
近似无迹状态量协方差
式中，为6×6的矩阵，其中对角线值为1000，其余值为0。
6.根据权利要求5所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：所述步骤四中，下一周期第i个特征点的测量预测值
下一周期测量预测均值
7.根据权利要求6所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：所述步骤五中，测量量协方差pyy的计算方法为：
式中，i＝2，3，……，13；
测量-状态量协方差pxy的计算方法为：
8.根据权利要求7所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：所述测量噪声常值矩阵r为角线为5×e-13的四阶方阵。
9.根据权利要求8所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：所述步骤六中，下一周期的增益值kk 1的计算方法为：
10.根据权利要求9所述的一种基于球形无迹变换的环火轨道自主导航方法，其特征在于：所述步骤六中，下一周期火星探测器的状态量
式中，ys为测量得到的火星探测器指向火星的单位矢量和火星的视半径。
技术总结