文摘
信号退化了的车辆使电灯暗淡和停电期间火星大气条目。电压不足意味着信号消失和断电通信意味着信号是完全失去了。分析了通信使电灯暗淡和停电时间和高度和速度的预测配置文件。在灯火管制时期,车辆之间的距离测量和轨道飞行器建模为间歇测量无线电信号到达概率,分布为瑞利分布的电子数密度入口车辆。一个新的组合导航策略在火星大气输入阶段提出了考虑无线电测量的概率下的通信使电灯暗淡和断电IMU /信标场景基于信息过滤与间歇测量。数值模拟导航设计用于显示的性能提出了组合导航场景下导航策略。
1。介绍
2012年8月5日,火星科学实验室(实验室)好奇号成功登陆火星的痛苦恐怖七分钟之后,火星科学实验室的条目,血统,和着陆(EDL)系统将车辆从约5.9公里/秒的速度为0.75米/秒。尤其是在火星进入阶段,汽车经历了最崎岖的空气动力学环境,包括高温和压力,加热峰值(峰值温度高达2090°C),和峰值减速(15克),以及车辆和轨道飞行器之间的信号可以褪色或遭受全损的超高频(UHF)继电器链接从实验室到航天飞机遭受一段约70年代的退化(1,2]。双子座,汞和阿波罗飞船进入地球大气层和火星探路者进入火星大气都经历了通讯中断,持续时间从30秒到几分钟3]。通讯中断期间,很难执行实时车辆之间的通信和卫星提供测量范围在导航系统。所以,有必要预测趋势或信号恶化的可能性和设计适当的导航技术和策略。
通信中断是由反射或吸收电磁鞘在某些频率的电离大气气体在飞船当飞船进入行星大气层以超音速的速度。是否出现通讯中断取决于电子数密度(结束),关键的电子数密度(CEND)的联系频率,如超高频。如果电子数密度超过相应的关键电子数密度、通信中断可能发生在某些频率。为了分析和预测任何可能的停电问题,两个气体热力学分析程序,包括喷气推进实验室(JPL)正常的冲击和化学平衡程序(也称为霍顿项目)(4)和兰利气体热力学逆风松弛算法(劳拉)项目(5),已经使用在火星进入车辆穿越火星大气环境(6]。喷气推进实验室霍顿程序是在1960年代开发的(4),然后用来预测任何可能的通信中断问题2,6]。这些工具输出的速度冲击层和电子数密度在驻点使用组成、压力、温度、和火星大气的密度(6]。其分析火星探路者在x波段的通信中断问题基于尾柳电子密度估计产生的喷气推进实验室霍顿程序和劳拉程序和比较两个项目的预测结果6]。其和Edquist预测火星科学实验室在超高频通信管制不同输入情况下,通过使用上述两种工具(3]。韩剧成功登陆火星后,其电压不足和断电和Edquist分析了UHF通信经历了韩剧在火星大气条目,同时也是预测信号退化从起飞前的分析文献[3]。Schratz等人讨论了超高频的火星科学实验室的性能电信在EDL阶段和分析信号强度和等离子体停电期间火星条目(7]。
未来的火星探索任务需要的能力精确地降落在了预选的高科学价值的区域满足科学家的要求。很难实现这一目标,如果只能测量传感器车载默认惯性测量单元(IMU)来提供测量信息导航、制导和控制系统在进入火星大气阶段(8,9]。一个创新的组合导航方案提出了在进入火星大气,这是添加车辆之间的距离测量和地面信标或通过使用超高频无线电通信卫星10,11]。上面的导航方案的关键技术是超高频无线电通信不被周围的等离子体鞘。国家航空和宇宙航行局(NASA)开发一种先进的火星网络依勒克拉UHF收发器,这是一个原型,嵌入式实时导航系统,可以提供车辆和轨道之间的无线电通信信息或表面的灯塔10,12]。几何和de拉方丹则研究四个组合导航场景和他们的可观测性基于无线电测距使用无味卡尔曼滤波在火星大气入口(11]。李等人做了大量的工作基于six-dimension动态模型下利用无线电通信IMU /信标组合导航方案(9,13,14]。玉等人主要分析火星进入导航信标的优化配置的基础上,系统可观测性通过辐射测量的方法(15,16]。卢等人考虑模型参数的不确定性和测量偏差通过考虑卡尔曼滤波器(也称为Schmidt-Kalman过滤器)17- - - - - -19)和参数不确定性的敏感性分析的基础上,健壮的麻木的扩展卡尔曼滤波器(20.)根据无线电信标导航计划在火星大气条目。
其et al。2指出超高频无线电的信号衰减或中断通信使电灯暗淡和停电时间的火星科学实验室将在火星大气条目。这个信号退化使双向导航系统不能达到的距离测量(或在一定概率)与韩剧。李和彭主要分析的影响下的通讯中断无线电信标/ IMU组合导航,并指出,随着通讯中断发生时,导航误差会逐渐增加9]。夏王,而无味卡尔曼滤波器的性能在地面信标/ IMU组合导航和卫星/ IMU组合导航通信中断发生时(21]。上述研究认为汽车不接收任何无线电信号通信警戒灯火管制期间进入火星大气的概率范围测量的到来不分析2]。增加潜在的测量范围,到达一定的概率,进入导航系统无疑提高了导航精度的通信使电灯暗淡的时期。
最近,也叫失踪的间歇测量,测量和建模的伯努利分布序列(22- - - - - -24),介绍了为一系列过滤算法来处理这些间歇性数据现象,如卡尔曼滤波(24,25),无味卡尔曼滤波(25,26),和强大的过滤23,27]。这些过滤器是致力于获得最优估计在测量的到来;换句话说,测量丢失在一定的概率。这个过滤问题与间歇测量激发研究者的兴趣,因为这些失踪测量现象在实际应用更受欢迎,如移动车辆的导航28],网络化控制系统(29日]。随后,间歇式测量问题不同的损失概率,这意味着测量损失可能部分,已经被调查,提出了一些解决方案(30.,31日]。
本文的目的是开发一个综合导航场景的概率的无线电测量通信使电灯暗淡和停电时间在进入火星大气阶段通过使用信息过滤与间歇测量(IFIM)。通信使电灯暗淡和断电期间与高度和速度概要分析和预测火星大气条目。超高频无线电信号的信号到达概率建模为瑞利分布的电子数密度在入口车辆。车辆之间的距离测量和卫星称为伯努利分布序列的不同概率通信使电灯暗淡的时期。然后IFIM算法推导,为导航滤波器设计的。数值模拟导航设计展示的性能提出导航策略。
本文的组织结构如下:首先,火星进入动态模型和测量模型的基础上,介绍了IMU和三个人造卫星;其次,预测的通信使电灯暗淡和停电现象是一个气动工具在进入火星大气;第三,信息过滤与间歇测量派生;最后,导航仿真的结果进行了讨论。
2。动态导航系统
2.1。动态方程为火星条目
在火星大气入口,车辆的动态模型建模为六状态方程的六维状态,包括高度(车辆质量中心的径向距离火星中心),径向速度 ,飞行路线角(FPA) ,经度 ,纬度 ,和方位角(顺时针旋转角度从北),在Mars-centered Mars-fixed坐标系统。一些假设,地球是不旋转的,气氛是静止和安静,大气中的风和向心和科里奥利效应被忽视17,32]。然后,6个条目描述车辆的动力学方程(11,17,19,32] 在哪里是银行的角度, 是简化的重力加速度,火星引力常数( )。和分别是空气动力阻力和升力加速度给出如下: 在哪里和分别是,汽车阻力系数和升力系数,是参考车辆的表面积,是车辆的质量。代表火星大气密度的指数模型是由(18,33] 在哪里名义参考密度在火星表面,表示名义径向位置的引用 ,表示常量规模高度 。为了方便在这工作,升阻比的定义 和弹道系数被定义为 。
2.2。测量模型
根据乌兹别克斯坦伊斯兰运动提高导航精度的信息,一个潜在的综合导航场景IMU和超高频无线电通信提出了支持精确着陆精度为未来的火星任务。乌兹别克斯坦伊斯兰运动加速度的导航系统提供了三个组件。超高频无线电提供入口车辆和轨道卫星之间的通信或表面信号(例如,预设固定信标或以前的火星探测器)和措施之间的距离车辆和人造卫星或地面信标导航系统(12,18,19,34]。目前,只有三个可用的火星轨道飞行器提供无线电通讯,火星勘测轨道飞行器(MRO),火星奥德赛(MO)和火星快车(墨西哥人),不预设在火星表面无线电信标。在这个工作,三个广播卫星轨道被认为提供双向测量范围使用超高频无线电通信。图的三个卫星导航场景和超高频天线的位置,驻点和尾柳,这需要估计电子数密度,如图1。
2.2.1。IMU测量
乌兹别克斯坦伊斯兰运动是用于测量特定力组件沿三个正交轴和轴的角速率使用加速度计和陀螺仪。三个分量的加速度是由 在哪里是真正的线性加速度沿体轴,加速度计的漂移率偏差,假定为零均值高斯白噪声。在这部作品中,加速度计测量模型被定义为
2.2.2。测量范围
超高频无线电通讯提供车辆和轨道飞行器之间的双向测量范围内的景象。双向测距Mars-centered惯性坐标系中重建 在哪里进入车辆的位置向量,计算了吗
人造卫星的位置向量,测量范围是噪音。在这个工作,三个卫星观测范围内利用提供导航系统的测量范围和相应的参数的三个卫星在下一节中列出。
3所示。通讯中断概率估计和信号损失在火星条目
车辆和轨道之间的超高频无线电通讯或火星表面在灯塔条目会中断,当电离粒子的电子数密度在超音速汽车增加足够的高度。其间的带电粒子能反射或吸收的无线电信号能量降低通信质量,电压不足或断电等。电压不足/断电通信问题的来源可以减少导航测量,使测量模型与区间信息不匹配6,22]。导航精度在火星条目将大大降低,甚至使意想不到的结果。因此,有必要分析信号退化的程度和不同的通信信号衰减的影响。
3.1。带电粒子与超高频通信的影响
之间的通信信号输入车辆和预选的无线电信标将减毒,因为周围等离子体在车辆在进入火星大气吸收和反映信号如果等离子体密度足够大。斯宾塞点的主要问题反映波在等离子体气体电子,和原则因素来确定信号传播条件发射频率和带电粒子的等离子体频率鞘(35,36]。
在进入火星大气,大气气体的加热或烧蚀的防热罩产生伟大的带电粒子,当带电粒子的密度的等离子体密度超过频率、等离子体鞘将黑色的通信信号(6]。等离子体频率被定义为 在哪里是电子电荷 ,电子数密度是每立方米(粒子/ m3),电子的质量 ,是介电常数 。所以,当超高频通信频率, 等离子体频率大于 信号衰减通常可以忽略不计;否则,应考虑信号衰减。信号衰减是单位长度衰减量来描述的,这是由(6]: 在dB总衰减,等离子体鞘的厚度,是信号的波长。图2显示了超高频的单位长度衰减量与电子数密度。可以看出信号强度迅速降低,当真正的电子数密度达到和超过了超高频的关键电子数密度。
3.2。估计通讯中断
摘要喷气推进实验室霍顿程序的化学平衡过程进行了数值模拟。我们假设火星大气模型表面压力约为6.1 mb和argon-free简化比例,公司的比例2是96.5%,N2喷气推进实验室霍顿计划的3.5%,其他假设作为文献[4,6,21]。在火星进入预测通信中断,大气相对速度和高度图所示3如图,大气密度4,因为大气的结合相对速度和大气密度在火星条目的主要因素影响接收信号退化由于带电粒子。图3显示了该驻点尾柳电子数密度,电子数密度,封锁关键电子数密度(停电CEND),和灯火关键电子数密度为401 MHz超高频(电灯暗淡CEND)。超高频的停电CEND计算(6]
超高频的停电CEND的价值 。的电灯暗淡CEND超高频估计 ,来自图5在文献[2,只是不到一个数量级与停电CEND相比。
从图6可以看出,峰值预测驻点电子数密度在64年代是关于过去的条目 ,峰值预测尾柳电子数密度在这个时候 。可能出现的最坏情况车辆退化期超高频范围从6年代到98年代的停滞和从30年代到87年代之后。之间的信号消失6 ~ 15和91年代~ 98年代之间的停滞和30年代~ 41年代和81年代~ 87年代之后,和15之间的信号完全失去年代~ 91年代之间的停滞和41后地区的年代~ 81年代,类似于数据的信号链接在等离子体降解时期文学(2]。
3.3。信号到达概率
当真正的电子数密度达到和超过超高频的关键电子数密度,信号强度会迅速下降,然后进入车辆之间的通信质量和预选的无线电信标将严重褪色,甚至黑色。其等人指出,特高频继电器的链接与韩剧的MRO和墨西哥人遭受退化,这是一个组合断电,停电2),通信中断大约是70年代在火星大气条目。接收到的载波噪声比(CNR)记录和处理通过使用信号数据的带宽±30 Hz,其不受干扰的水平大约是42 dB,及其故障阈值水平是10分贝,在火星大气条目。MSL-to-MRO信号链接的退化期,中国北车计算表明,警戒灯火管制时期之间大约30年代和40年代,在中国北车从42 dB左右减少到低于10 dB和82年代~ 100年代,在中国北车从低于10 dB增加到42 dB,禁售期是在40年代和80年代之间,在中国北车按预期低于10 dB一小段关于70年代2]。
灯火管制时期,电子数密度高于这个灯火CEND和超高频停电CEND以下,同时,中国北车也高于其故障阈值水平,低于其原状,但可能,通讯中断被认为是不确定的。所以,车辆之间的不确定收到导航信号和超高频无线电信标将导航数据不能及时到达目的地用于导航数据的过程。这里,不确定导航测量信息被描述为一个间歇测量,在测量的到来是伯努利过程参数 (2]。接下来,我们将定义导航测量信息的到来的概率通过使用电子数密度。
通信信号能量可以被吸收,反射,折射和绕射鞘的带电粒子在高超声速飞行器在火星大气条目。信号的大小将淡入otroposheric和电离层信号传播,这大约是建模为瑞利衰落,分发到瑞利分布,其概率密度函数和累积分布函数是由(37]。 在哪里尺度参数的分布。在这里,我们假设信号强度在灯火期间火星大气条目服从瑞利分布,随机变量的电子数密度。所以,导航测量信息的到来的概率是由上面的瑞利分布计算。
4所示。信息过滤与间歇测量设计
在本节中,间歇式测量问题多个到达概率引入传统的信息过滤(如果)38,39]。当到达概率测量来自导航传感器不同,信息过滤处理这些有很大的优势与卡尔曼滤波相比间歇测量问题。
4.1。问题公式化
考虑线性离散时间与间歇测量过程和测量模型: 在哪里 是一个状态向量和是状态转移矩阵。 是一个测量向量,是测量矩阵。对每一个传感器,测量方程
被定义为 ,随机变量 伯努利分布序列在0和1的值 在哪里是一种已知的时变积极的标量满意吗 。如果 ,是独立于 ,和被认为是独立的 , ,和 。 是独立的零均值高斯噪声协方差过程 。测量噪声 被定义为 在哪里测量的方差在时间吗k。如果是0 ,和是1的 。实际测量不到达时,给定的测量方差的极限情况 (22]。
在这里,前面提到的测量(13)代表间歇测量,测量,或不确定的观察,测量的到来是上面的伯努利分布(23,40,41]。
4.2。传统的信息过滤
信息过滤的信息形式的卡尔曼滤波器。信息矩阵, ,被定义为协方差矩阵的逆卡尔曼滤波器。在信息过滤,一些传播方程必须重新推导出利用Sherman-Morrison-Woodbury矩阵求逆引理(39]
在这里,概率的随机变量在(15)为所有我和k假设是 ,这意味着测量到达目的地的时间用于过滤。因此,信息的过滤器是由测量方程
基于过程和测量模型(12)和(19),信息总结如下22,39]。时间更新方程 和测量更新方程 在哪里
4.3。信息过滤与间歇测量算法
作为卡尔曼滤波器与间歇测量(22),测量的方差可以重建
与(21),(22)和(23)在传统的信息过滤,一些公式的信息过滤与间歇测量(IFIM)重建如下:
注意,获得在(28)和(29日)相同的增益与经典的信息过滤器。IFIM算法总结表1。
5。导航的结果
数值模拟进行分析提出IFIM导航算法的性能在进入火星大气,当移民之间的部分测量轨道飞行器和车辆使用超高频信号在灯火管制时期由伯努利方程描述的连续概率分布序列。车辆的状态变量被定义为在火星大气条目 ,测量信息包括加速度和三个范围 和 。
在这部作品中,火星进入初始条件和参数表中列出2。一些状态变量错误被认为,包括高度误差1公里,20米/秒的速度误差,经度和纬度角0.02度,误差和方位,平安险的错误1度。此外,参考大气密度、弹道系数和L / D比率设置为任意模型参数误差10%。银行的角度被认为是零。乌兹别克斯坦伊斯兰运动加速度计的偏见模拟中使用的设置 。我们认为三个轨道信号可用于超高频信号通信在火星大气条目。的初始位置和速度三个卫星Mars-centered Mars-fixed坐标系给出了表3(13,19]。数值模拟是大约250年代后终止。
在这个仿真,入口车辆和轨道飞行器之间的通讯中断问题被认为是两个部分,使电灯暗淡时期和禁售期。由于天线用于超高频通信是预装的底壳条目如图1,通信质量受尾柳的电子数密度的影响。节3.3,介绍了导航的到来测量的概率通过使用瑞利分布的电子数密度后地区灯火。规模参数瑞利分布的设置 在模拟描述条目的接收信号概率车辆,和接收信号的概率在灯火管制期间火星大气条目如图5。此外,接收信号的概率在禁售期设置为 ,这是一个非常小的概率接收信号在禁售期在文献[2]。
考虑到在进入火星大气通信使电灯暗淡和停电问题,数值模拟运行三个导航方案。一个是默认的导航场景基于IMU单独测量,因为乌兹别克斯坦伊斯兰运动是唯一可用传统的传感器和其他传感器是由车辆受损的防热罩在火星大气条目。另一个是信息过滤组合导航场景基于IMU和测量范围不考虑通信时遭受的损失范围测量信号退化在火星大气条目。对于这个导航场景,测量范围的损失大订单的大小使度量模型严重不匹配产生大导航错误甚至发散。出于这个原因,导航错误可能偏离数值模拟对于第二个导航场景,当无法接收到第一交流信号超高频天线安装在车辆外壳。所以,第二个场景中没有显示的导航结果。最后一个是IFIM组合导航场景基于IMU和测量范围与概率。当车辆之间的距离测量和卫星不能及时到达导航计算中心,测量噪声范围设置为无穷大,这意味着测量范围不仅采用和IMU提供的信息。
图7显示了状态估计误差及其3σ边界的信息过滤器为默认IMU导航场景。图8显示了状态估计错误和3σ边界的IFIM IMU /飞行器组合导航场景。表明国家错误的高度,速度,平安险和纬度信息过滤不被自己的3σ协方差。图8显示,3σ协方差的所有的州几乎可以获取相应的错误。当车辆之间的通信信号,卫星开始降解,和测量范围的超高频通信不能及时赶到,状态估计误差协方差继续增长,因为只有使用IMU信息使用。IFIM导航算法的协方差reconverges又保持小的提醒数值模拟一段时间后篇作品范围的测量通信中断时就消失了。
状态估计均方根误差(RMSE)对数尺度模拟是在1000年推出了比较传统的信息过滤的性能违约IMU导航场景和IFIM IMU /飞行器组合导航场景。rms的导航都绘制在图9。所有状态的rms IFIM IMU /飞行器组合导航场景明显小于传统的信息过滤为默认IMU导航场景;国家高度和速度均方根使用传统的信息过滤太大,以满足未来的需求精确着陆火星。IMU /飞行器组合导航场景与火星的间歇测量范围通信使电灯暗淡和停电时间,IFIM算法处理测量部分损失的问题很好,最后导航精度可以满足未来的火星任务。
6。结论
一个组合导航场景的概率无线电测量范围的通信使电灯暗淡时期进入火星大气通过提议IFIM设计。单位长度超高频信号衰减与电子数密度进行了分析。车辆将遭受大约17警戒灯火管制时期,大约40年代禁售期的高度和速度概要文件。在灯火管制时期,间歇式测量范围由伯努利分布建模序列不同的概率,分发给瑞利分布的电子数密度的入口车辆超高频左右。处理潜在的失踪测量范围和乌兹别克斯坦伊斯兰运动信息,信息过滤与多个间歇测量。事实上,在模拟测量部分断断续续,因为乌兹别克斯坦伊斯兰运动测量总是只到达的时间和范围测量丢失在一定的概率。下的数值模拟基于IMU和三个卫星组合导航方案。结果表明,IFIM导航滤波具有良好性能处理部分间歇测量范围的通信使电灯暗淡的时期。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
本文中描述的工作得到了国家自然科学基金(批准号61603346和61603346),省级高校基础研究项目(批准号15 kyywf01),河南高等教育机构的主要研究项目(批准号18 a413003),医生的启动资金基础郑州轻工业大学(批准号2015 bsjj026)。作者充分理解金融支持。