太阳光波峰到达时间差分量测及其深度组合导航方法研究

In the encounter period of deep space exploration, the traditional celestial navigation methods cannot provide the radial position information of spacecraft with respect to the target celestial body directly. To solve this problem, exploiting the instability of the solar intensity, we utilize the time-difference-of-arrival (TDOA) between the direct solar light and the reflected planet light as the measurement, deeply integrated it with the angle measurement-based navigation, and probes into the effective methods of the solar light peak-based time-difference-of-arrival measurement and its deeply integrated navigation. The main research contents are: .① To solve the problem of the serious Doppler effect and the limited computing resource, we adopt the state estimation of the integrated navigation to compensate the time-of-arrival of solar light irradiation signals, and utilize few solar light peaks and troughs information to realize the TDOA estimation with the small computing load and high accuracy..② Considering the factors of the high flying velocity, the non-spherical planet and the diffuse reflection, we build the highly accurate solar TDOA model. .③ Due to the strong relationship between the measurement compensation bias and the state estimation, we propose the Kalman filter against the compensation bias, and construct the main filter which can fuse the information from non homogenous filters to realize the deeply integrated navigation. .④ The historical data cannot be fully exploited. And the range of the condition number for the integrated navigation is very large. To solve these two problems, the structured condition number based on fractional differentiation is proposed to evaluate the navigation performance scientifically. .The investigated achievements will provide the spacecraft with the time-real and accurate autonomous navigation information in the encounter period.

在深空探测捕获段，传统天文导航无法直接提供航天器相对于目标天体的径向位置。为了解决该问题，本项目拟利用太阳光强不稳定这一特性，将太阳直射光与行星反射光的到达时间差作为量测值，并与测角导航深度融合，探索实现太阳光波峰到达时间差分量测及其深度组合导航的有效方法，包括：①针对多普勒效应影响严重、计算资源有限等问题，利用组合导航状态估计值补偿太阳光辐射信号到达时间，仅利用少量的太阳光波峰和波谷信息实现小计算量、高精度的量测值估计。②综合考虑航天器高速飞行、行星非球形、漫反射等多种干扰因素，建立高精度量测模型。③鉴于量测补偿偏差与状态估计具有强耦合性，提出抗补偿偏差的Kalman滤波器，并构造一种能融合非同质滤波器的主滤波器，以实现深度组合导航。④针对历史数据未被利用，组合导航系统条件数变化大等问题，提出分数阶结构性条件数，以科学评价导航性能。以上研究成果将在捕获段为航天器提供实时高精度的自主导航。

进入21世纪以来，世界上掀起了深空探测的热潮。我国也不甘落后，将深空探测任务列入了国家战略。深空探测捕获段的自主导航仍然是一个技术瓶颈，特别是航天器相对于目标天体的相对位置尤为重要。而传统天文导航均无法提供这一关键信息。. 为了提供航天器与目标天体之间距离这一关键信息，研究太阳光到达时间差分量测方法。考虑到天文测角导航能提供相对于目标天体的方位信息，将二者深度组合，提供相对于目标天体的三维位置信息。具体如下：(1)从几何角度对多个误差源进行分析，包括：直射和反射太阳光源的面积重叠率、太阳球体引起的到达时间差分的扩展效应、火卫引起的到达时间差分的扩展效应等。在此基础上，利用微分几何等数学工具，建立了高精度的太阳光到达时间差分测量模型。(2)太阳球形引起的时间色散效应导致行星反射光轮廓发生畸变，进而造成太阳光到达时间差分测量精度下降。为了解决这一问题，研究了行星反射轮廓的形成机理，提出了太阳直射光/行星反射光到达时间差分估计方法。将观测的太阳序列图像转换为扩展子轮廓，并将这些子轮廓移动并叠加，以构建虚拟的行星反射轮廓。将观测到的行星反射轮廓与虚拟的行星反射轮廓进行比较，得到太阳到达时间差分。该估计方法不受时间色散的影响，其精度达到1km。(3)小行星反射光微弱，这导致观测周期较长，进而造成接收的行星反射光会受多普勒效应影响。为了抑制多普勒效应，提出了多种天文测角/测速/测距深度组合导航系统。利用导航速度信息补偿行星反射光谱以获得高精度光谱，实现深度组合导航。以上研究成果构成了一套完整的太阳光到达时间差分/测角深度组合导航系统。该深度组合导航系统能在捕获段这一关键时期为航天器提供实时高精度的定速和定位信息。此外，开展了X射线脉冲星导航研究，进一步丰富了研究成果。. 本项目若能成功实施，太阳光波峰TDOA导航将成为继测角导航、多普勒导航、X射线脉冲星导航之后第四种天文自主导航方式。共发表学术期刊论文24篇，其中，SCI论文23篇，中国科技期刊卓越行动计划-领军期刊论文1篇，梯队期刊论文1篇；授权发明专利5项；拟出版学术专著2部；获第五届中国出版政府奖图书奖；培养1名博士生和19名硕士生。