中文核心期刊

中国科技核心期刊

中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊

中国高校百佳科技期刊

中国宇航学会深空探测技术专业委员会会刊

高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

考虑相对论效应的火星探测器天文测角导航

桂明臻,魏一丰,宁晓琳

桂明臻, 魏一丰, 宁晓琳. 考虑相对论效应的火星探测器天文测角导航[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001
引用本文: 桂明臻, 魏一丰, 宁晓琳. 考虑相对论效应的火星探测器天文测角导航[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001
GUI Mingzhen, WEI Yifeng, NING Xiaolin. Celestial Navigation for Mars Probe Considering Relativistic Effect[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001
Citation: GUI Mingzhen, WEI Yifeng, NING Xiaolin. Celestial Navigation for Mars Probe Considering Relativistic Effect[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001

考虑相对论效应的火星探测器天文测角导航

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001
基金项目:国家自然科学基金(62003369);湖南省自然科学基金(2021JJ40784)
详细信息
    作者简介:

    桂明臻(1992− ),男,副教授,硕士生导师,主要研究方向:深空探测器自主导航方向研究。通信地址:中南大学自动化学院(410083)E-mail:guimingzhen@csu.edu.cn

  • ● Celestial navigation is based on the star angle. ● Both of general relativity and special relativity are considered in error correction. ● Compared with the uncorrected case,the corrected average position error and average velocity error are reduced by 13.97% and 13.89% respectively when the star sensor measurement error is 3″ and the Mars sensor measurement error is 0.05°.

Celestial Navigation for Mars Probe Considering Relativistic Effect

  • 摘要:广义相对论效应使恒星发出的星光在经过大质量天体时发生一定程度的偏折,狭义相对论使高速运行的航天器能够观测到恒星光行差,这两者会造成航天器实际采集到的量测量与星历中对应的信息不符,进而影响导航精度问题,提出一种考虑相对论效应的天文测角导航方法。通过对星光角距量测模型进行相对论效应修正,使其符合实际观测结果,以提高导航精度。仿真结果表明,在火星环绕轨道上,提出的方法可有效修正相对论效应对航天器测角导航造成的影响。当星敏感器量测误差为3″,火星敏感器量测误差为0.05°时,修正后的平均位置误差和平均速度误差相比于未修正的情况分别减少了13.97%和13.89%。
    Highlights
    ● Celestial navigation is based on the star angle. ● Both of general relativity and special relativity are considered in error correction. ● Compared with the uncorrected case,the corrected average position error and average velocity error are reduced by 13.97% and 13.89% respectively when the star sensor measurement error is 3″ and the Mars sensor measurement error is 0.05°.
  • 图 1星光角距导航原理

    Fig. 1Principle of star angle navigation

    图 2广义相对论效应造成的光线偏转的示意图

    Fig. 2Diagram of the deflection of light caused by general relativistic effects

    图 3恒星光行差示意图

    Fig. 3Diagram of stellar aberration

    图 4相对论修正前航天器在火星环绕轨道上的位置误差

    Fig. 4Position error of spacecraft in orbit around Mars before relativity correction

    图 5相对论修正前航天器在火星环绕轨道上的速度误差

    Fig. 5Velocity error of spacecraft in orbit around Mars before relativity correction

    图 6广义相对论对星光角距量测数值的影响

    Fig. 6Influence of general relativity on measurements of star angle

    图 7狭义相对论对星光角距量测数值的影响

    Fig. 7Influence of special relativity on measurements of star angle

    图 8相对论修正前后位置误差对比

    Fig. 8Comparison of the position errors before and after the relativity correction

    图 9相对论修正前后速度误差对比

    Fig. 9Comparison of the velocity errors before and after the relativity correction

    图 10相对论修正后不同量测误差情况下的位置误差对比

    Fig. 10Comparison of position errors under different measurement errors after relativistic correction

    图 11相对论修正后不同量测误差情况下的速度误差对比

    Fig. 11Comparison of velocity errors under different measurement errors after relativistic correction

    表 1火星环绕轨道仿真参数设置

    Table 1Mars surrounding orbit simulation parameters setting

    项目 数据设置
    初始距离误差 ${\left[ 1\;000\;{\rm{m} },1\;000\;{\rm{m} },{1\;000\;{\rm{m} },0.1\;\rm m/s,0.1\;m/s,0.1\;m/s} \right]^{\rm{T}}}$
    初始估计误差协方差P $\rm diag[ { {(1\;000\;m)}^2},{ {(1\;000\;m)}^2},{ {(1\;000\;m)}^2},{ {(0.1\;m/s)}^2}, { {(0.1\;m/s)}^2},{ {(0.1\;m/s)}^2} ]$
    过程噪声协方差矩阵Q $\rm diag[ { { {1{0^{ - 3} }\;m} }^2},{ { {1{0^{ - 3} }\;m} }^2},{ { {1{0^{ - 3} }\;m} }^2},{ { 1{0^{ - 7} }\left(m/s \right)}^2}, { { 1{0^{ - 7} }\left(m/s \right)}^2},{ { 1{0^{ - 7} }\left(m/s \right)}^2} ]$
    滤波周期/s 60
    下载: 导出CSV

    表 2相对论修正前后平均距离误差与平均速度误差对比

    Table 2Comparison of mean distance errors and mean velocity errors before and after relativity correction

    分类 平均位置误差/m 平均速度误差/(m·s-1
    未修正相对论效应 580.99 0.36
    修正相对论效应 499.82 0.31
    下载: 导出CSV

    表 3相对论效应修正后不同量测误差下的平均位置误差和平均速度误差对比

    Table 3Comparison of mean distance errors and mean velocity errors under different measurement errors after relativistic correction

    星敏感器量测误差大小/(″) 平均位置误差/m 平均速度误差/(m•/s-1
    1 498.763 2 0.313 8
    3 499.822 4 0.314 3
    10 503.921 1 0.316 5
    下载: 导出CSV
  • [1] 王帅,郭文博,李鹏. 阿联酋希望号探测器抵达火星[J]. 国际太空,2021(3):16-19.doi:10.3969/j.issn.1009-2366.2021.03.004
    [2] 王帅,李鹏,郭文博,等. 美国毅力号火星车成功着陆火星[J]. 国际太空,2021(3):10-15.doi:10.3969/j.issn.1009-2366.2021.03.003
    [3] 张荣桥,耿言,孙泽洲,等. 天问一号任务的技术创新[J]. 航空学报,2022,43(3):626689.

    ZHANG R Q,GENG Y,SUN Z Z,et al. Technical innovations of the Tianwen-1 mission[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2022,43(3):626689.
    [4] 饶炜,孙泽洲,董捷,等. 天问一号火星进入、下降与着陆系统设计与实现[J]. 中国科学:技术科学,2022,52(8):1162-1174.

    RAO W,SUN Z Z,DONG J,et al. Design and implementaition of the Mars entry,descent ,and landing for the Tianwen-1 mission[J]. Science China:Technological Science,2022,52(8):1162-1174.
    [5] 孙泽洲,饶炜,贾阳,等. “天问一号”火星探测器关键任务系统设计[J]. 空间控制技术与应用,2021,47(5):9-16.doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.05.002

    SUN Z Z,RAO W,JIA Y,et al. Key mission system design of Tianwen-1 Mars probe[J]. Aerospace Control and Application,2021,47(5):9-16.doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.05.002
    [6] 朱新波,谢攀,徐亮,等. “天问一号”火星环绕器总体设计综述[J]. 航天返回与遥感,2021,42(3):1-12.

    ZHU X B,XIE P,XU L,et al. Sumary of the overall design of Mars orbiter of Tianwen-1,2021,42(3):1-12.
    [7] NASA. NASA will inspire world when it returns Mars samples to Earth in 2033[EB/OL]. [2022-7-27](2023-1-3). https: //mars.nasa.gov/news/9233/nasa-will-inspire-world-when-it-returns-mars-samples-to-earth-in-2033/
    [8] GRADY M M. Exploring Mars with returned samples[J]. Space Science Reviews,2020,216(4):51.doi:10.1007/s11214-020-00676-9
    [9] SAWADA H, KATO H, SATOU Y, et al. The MMX Sampler for Phobos sample return mission[C]//2021 IEEE Aerospace Conference (50100). Big Sky, MT, USA: IEEE, 2021.
    [10] CAMPAGNOLA S,YAM C H,TSUDA Y,et al. Mission analysis for the Martian Moons Explorer (MMX) mission[J]. Acta Astronautica,2018,146:409-417.doi:10.1016/j.actaastro.2018.03.024
    [11] 张智,容易,秦曈,等. 重型运载火箭总体技术研究[J]. 载人航天,2017,23(1):1-7.doi:10.3969/j.issn.1674-5825.2017.01.001

    ZHANG Z,RONG Y,QIN T,et al. Research on overall technology of heavy launch vehicle[J]. Mannned Spaceflight,2017,23(1):1-7.doi:10.3969/j.issn.1674-5825.2017.01.001
    [12] 洪刚,戚峰,王建明,等. 载人登陆火星任务核热推进系统方案研究[J]. 载人航天,2018,24(1):102-106.doi:10.3969/j.issn.1674-5825.2018.01.017

    HONG G,QI F,WANG J M,et al. Nuclear thermal propulsion system design for manned Mars mission[J]. Mannned Spaceflight,2018,24(1):102-106.doi:10.3969/j.issn.1674-5825.2018.01.017
    [13] ORTORE E,CINELLI M,CIRCI C. A ground track-based approach to design satellite constellations[J]. Aerospace Science and Technology,2017,69:458-464.doi:10.1016/j.ast.2017.07.006
    [14] 宝音贺西,马鹏斌. 火星探测器自主导航方法综述[J]. 飞控与探测,2018,1(1):34-40.

    BAOYIN H X,MA P B. Overview of autonomous navigation method for Mars probe[J]. ,2018,1(1):34-40.
    [15] 王大轶,黄翔宇. 深空探测转移段光学成像测量自主导航及仿真验证技术[J]. 控制理论与应用,2014,31(12):1714-1722.doi:10.7641/CTA.2014.41158

    WANG D Y,HUANG X Y. Autonomous optical navigation for deep space transfer phase and its simulation verification[J]. ,2014,31(12):1714-1722.doi:10.7641/CTA.2014.41158
    [16] 崔文,张少愚,张树瑜,等. 火星探测接近段的光学自主导航研究[J]. 空间科学学报,2013,33(3):313-319.

    CUI W,ZHANG S Y,ZHANG S Y,et al. Research on optical autonomous navigation for approach phase of Mars exploration[J]. Chinese Journal of Space Science,2013,33(3):313-319.
    [17] 毛晓艳,王大轶,辛优美,等. 深空光学敏感器“拖尾图像”的处理方法研究[J]. 空间控制技术与应用,2010,36(2):1-5+19.

    MAO X Y,WANG D Y,XIN Y M,et al. Processing method of “trailed image” for deep space optical sensor[J]. Aerospace Control and Application,2010,36(2):1-5+19.
    [18] 吴伟仁,马辛,宁晓琳. 火星探测器转移轨道的自主导航方法[J]. 中国科学:信息科学,2012,42(8):936-948.

    WU W R,MA X,NING X L. Autonomous navigation method with high accuracy for cruise phase of Mars probe[J]. Science China Information Sciences,2012,42(8):936-948.
    [19] 房建成,宁晓琳,马辛,刘劲,桂明臻. 深空探测器自主天文导航技术综述[J]. 飞控与探测,2018,1(1):1-15.

    FANG J C,NING X L,MA X,et al. A survey of autonomous astronomical navigation technology for deep space detectors[J]. Flight Control & Detection,2018,1(1):1-15.
    [20] RAYMOND K R,MORTARI D. Interplanetary autonomous navigation using visible planets[J]. Journal of Guidance,Control,and Dynamics,2015,38(6):1151-1156.
    [21] NING X L,WANG F,FANG J C. Implicit UKF and its observability analysis of satellite stellar refraction navigation system[J]. Aerospace Science and Technology,2016,54:49-58.doi:10.1016/j.ast.2016.04.010
    [22] WANG R,XIONG Z,LIU J,et al. A new tightly-coupled INS/CNS integrated navigation algorithm with weighted multi-stars observations[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part G:Journal of Aerospace Engineering,2016,230(4):698-712.doi:10.1177/0954410015596010
    [23] RAYMAN M D, VARGHESE P, LEHMAN D H, et al. Results from the Deep Space 1 technology validation mission[J]. Acta Astronautica, 2000, 47(2-9): 475-487.
    [24] Klioner S A. A practical relativistic model for microarcsecond astrometry in space[J]. The Astronomical Journal,2003,125(3):1580.doi:10.1086/367593
    [25] SHUSTER M D. Stellar aberration and parallax:a tutorial[J]. The Journal of the astronautical sciences,2003,51:477-494.doi:10.1007/BF03546295
    [26] LI M Z , SUN J, PENG Y, et al. Observability and performance analysis of spacecraft autonomous navigation using stellar aberration observation[C]//2021 5th International Conference on Vision, Image and Signal Processing (ICVISP). Kuala Lumpur, Malaysia: IEEE, 2021.
    [27] XIONG K,WEI C. Integrated celestial navigation for spacecraft using interferometer and earth sensor[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part G:Journal of Aerospace Engineering,2020,234(16):2248-2262.doi:10.1177/0954410020927522
    [28] CHRISTIAN J A,LIGHTSEY E G. Review of options for autonomous cislunar navigation[J]. Journal of Spacecraft and Rockets,2009,46(5):1023-1036.doi:10.2514/1.42819
    [29] GIFT S J G. Light speed variation in stellar aberration[J]. Physics Essays, 2009, 22(2): 83.
    [30] CHRISTIAN J A. StarNAV:autonomous optical navigation of a spacecraft by the relativistic perturbation of starlight[J]. Sensors,2019,19(19):4064.doi:10.3390/s19194064
  • [1] 解天昊, 张文佳, 马辛, 宁晓琳.火星探测器接近段自适应卡尔曼滤波方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230014
    [2] 朱庆华, 王卫华, 刘付成, 郑循江, 聂钦博.“天问一号”火星探测环绕器导航制导与控制技术. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220046
    [3] 熊凯, 魏春岭, 李连升, 周鹏.深空探测器相对论导航方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230011
    [4] 黄翔宇, 徐超, 胡荣海, 郭敏文.小行星动能撞击自主导航与制导方法研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220054
    [5] 桂明臻, 宁晓琳, 马辛, 叶文.一种快速星光角距/时间延迟量测组合导航方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200080
    [6] 王大轶, 符方舟, 孟林智, 李文博, 李茂登, 徐超, 葛东明.深空探测器自主控制技术综述. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.002
    [7] 马辛, 宁晓琳, 刘劲, 刘刚.一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.03.014
    [8] 黄翔宇, 徐超, 胡荣海, 李茂登, 郭敏文, 胡锦昌.火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制方法研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.006
    [9] 王亚敏, 刘银雪, 蒋峻, 孙煜坤, 张永合.基于引力场不对称性的三体系统轨道自主导航. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.004
    [10] 郑伟, 张璐, 王奕迪.基于星联网的深空自主导航方案设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.005
    [11] 王春锋.卫星编队自主相对导航与通信一体化系统探讨. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.006
    [12] 欧阳威, 张洪波, 郑伟.环火星自主导航系统设计及参数优化研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.007
    [13] 于正湜, 崔平远.行星着陆自主导航与制导控制研究现状与趋势. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.04.006
    [14] 徐超, 王大轶, 黄翔宇.基于陆标图像的火星精确着陆自主导航方法研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.009
    [15] 陈晓, 尤伟, 黄庆龙.火星探测巡航段天文自主导航方法研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.003
    [16] 王大铁, 李骥, 黄翔宇, 张洪华.月球软着陆过程高精度自主导航避障方法. 深空探测学报(中英文),
    [17] 侯建文, 周杰.“火星科学实验室”巡航段导航、制导与控制. 深空探测学报(中英文),
    [18] 黄翔宇, 张洪华, 王大铁, 李骥, 关软峰, 王鹏基.“嫦娥三号”探测器软着陆自主导航与制导技术. 深空探测学报(中英文),
    [19] 魏二虎, 杨洪洲, 张帅, 刘经南, 易慧.脉冲星非实时平差的火星探测自主导航模型. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2014.04.009
    [20] 崔平远, 高艾, 于正湜.火星着陆自主导航方案研究进展. 深空探测学报(中英文),
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:26
  • 被引次数:0
出版历程
  • 收稿日期:2023-01-03
  • 修回日期:2023-01-28
  • 网络出版日期:2023-05-13

考虑相对论效应的火星探测器天文测角导航

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001
    基金项目:国家自然科学基金(62003369);湖南省自然科学基金(2021JJ40784)
    作者简介:

    桂明臻(1992− ),男,副教授,硕士生导师,主要研究方向:深空探测器自主导航方向研究。通信地址:中南大学自动化学院(410083)E-mail:guimingzhen@csu.edu.cn

  • ● Celestial navigation is based on the star angle. ● Both of general relativity and special relativity are considered in error correction. ● Compared with the uncorrected case,the corrected average position error and average velocity error are reduced by 13.97% and 13.89% respectively when the star sensor measurement error is 3″ and the Mars sensor measurement error is 0.05°.

摘要:广义相对论效应使恒星发出的星光在经过大质量天体时发生一定程度的偏折,狭义相对论使高速运行的航天器能够观测到恒星光行差,这两者会造成航天器实际采集到的量测量与星历中对应的信息不符,进而影响导航精度问题,提出一种考虑相对论效应的天文测角导航方法。通过对星光角距量测模型进行相对论效应修正,使其符合实际观测结果,以提高导航精度。仿真结果表明,在火星环绕轨道上,提出的方法可有效修正相对论效应对航天器测角导航造成的影响。当星敏感器量测误差为3″,火星敏感器量测误差为0.05°时,修正后的平均位置误差和平均速度误差相比于未修正的情况分别减少了13.97%和13.89%。

注释:
1) ● Celestial navigation is based on the star angle. ● Both of general relativity and special relativity are considered in error correction. ● Compared with the uncorrected case,the corrected average position error and average velocity error are reduced by 13.97% and 13.89% respectively when the star sensor measurement error is 3″ and the Mars sensor measurement error is 0.05°.

English Abstract

桂明臻, 魏一丰, 宁晓琳. 考虑相对论效应的火星探测器天文测角导航[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001
引用本文: 桂明臻, 魏一丰, 宁晓琳. 考虑相对论效应的火星探测器天文测角导航[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001
GUI Mingzhen, WEI Yifeng, NING Xiaolin. Celestial Navigation for Mars Probe Considering Relativistic Effect[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001
Citation: GUI Mingzhen, WEI Yifeng, NING Xiaolin. Celestial Navigation for Mars Probe Considering Relativistic Effect[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230001
参考文献 (30)

返回顶部

目录

    /

      返回文章
      返回
        Baidu
        map