月面起飞初始对准及惯性器件标定技术研究

【摘要】：月球登陆器是月球探测最直接有效的工具,登陆器在抵达月球后,落点位置难免会有偏差,姿态也需要及时测定,而且由于长时间的月面作业,其携带的惯导系统累计误差较大。当登陆器从月面起飞时,需利用外部提供的导航信息对登陆器进行初始位姿确定,并进一步对惯导进行初始对准,为登陆器的成功返航提供准确的导航基础。同时,需要估计出月面环境下惯性器件(陀螺和加速度计)的误差,实现对惯性器件的误差标定。 考虑登陆器月面起飞时的特殊环境,论文提出利用VLBI(Very Long Baseline Interferometry甚长基线干涉测量)地面测控+自主天文观测的方法进行登陆器起飞初始定位,这样能兼顾地面测控定位精度好、可靠性高和天文观测定位自主性强的特点,很好地满足月面登陆器精确定位的要求。通过差分VLBI定位方法减小或消除了地面测控的系统误差,实现登陆器的高精度定位;基于我国目前的VLBI测控网,提出了一个实现月球登陆器准确定位的地面测控方案,并通过数学仿真,验证了方案和算法的可行性和合理性。 提出利用星敏感器测姿、加速度计结合太阳敏感器测姿两种方法给月球登陆器进行起飞初始定姿。星敏感器测量精度高,但视场范围小,若星敏感器因为无法获得导航星的原因而得不到有效的姿态数据时,则考虑使用太阳敏感器获得太阳矢量信息,再结合加速度计获得的月球重力方向进行定姿,这种方案保证了精度和可靠性两大最重要的定姿指标,具有较好的工程参考价值。 选用月球当地水平坐标系为导航坐标系,结合月球的环境特性,对月面静基座条件下的惯导工作特性进行详细分析,并对惯性器件误差、惯导系统误差进行精确建模。先通过月面静基座初始自对准方法,粗略估计得到登陆器小量姿态失准角,在此基础上,以惯导一阶误差传播模型为状态方程,同时为了实现标定,根据惯性器件误差传播模型,将惯性器件的随机常值误差项扩展为状态量,利用静基座下惯导的速度输出、地面测控定位信息和星光定姿信息建立量测方程,设计滤波器,通过卡尔曼滤波算法估计出登陆器在导航坐标系下的姿态失准角误差和惯性器件的随机常值误差,从而实现月面起飞初始对准和惯性器件标定。仿真结果表明,通过该方案能够达到较高的初始对准精度,并对惯性器件误差有较好的估计效果,能满足标定要求。