小天體探測器光學(xué)導(dǎo)航與自主控制方法研究.pdf

1、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)作為小天體探測器關(guān)鍵技術(shù)之一，其水平?jīng)Q定了探測器的功能和性能，關(guān)系著探測任務(wù)的成功與否。開發(fā)先進(jìn)的導(dǎo)航與控制方法，提高探測器的運(yùn)行性能和生存能力，是小天體探測技術(shù)研究的重心。本學(xué)位論文結(jié)合863計劃項目“深空探測自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”和國家自然科學(xué)基金資助項目“深空探測自主導(dǎo)航理論與方法研究”，針對小天體探測各飛行階段的特點(diǎn)，深入研究了相關(guān)的光學(xué)導(dǎo)航與自主控制方法。論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　首先，對探測器

2、接近軌道確定與自主交會制導(dǎo)方法進(jìn)行了研究。參考目前主要的導(dǎo)航方式，結(jié)合小天體探測的特點(diǎn)，對小天體接近交會探測的導(dǎo)航方案、方法進(jìn)行了設(shè)計和分析?；陬A(yù)測制導(dǎo)技術(shù)對小天體自主交會制導(dǎo)律進(jìn)行了設(shè)計，并在對機(jī)動時刻、目標(biāo)點(diǎn)位置等制導(dǎo)參數(shù)影響分析的基礎(chǔ)上，針對基本預(yù)測制導(dǎo)中軌道修正機(jī)動時刻無法自主選取的問題，提出了一種機(jī)動時刻選取準(zhǔn)則，通過B平面誤差橢圓的引入，對小天體探測器預(yù)測制導(dǎo)律進(jìn)行了改進(jìn)。
　　其次，對探測器繞飛軌道及目標(biāo)天體參數(shù)確

3、定方法進(jìn)行了研究?？紤]繞飛小天體初期待估參數(shù)多、動力學(xué)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，利用SRIF濾波器對組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對探測器繞飛軌道以及目標(biāo)天體引力場模型、自旋狀態(tài)、星歷信息等動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估計。針對利用路標(biāo)進(jìn)行自主導(dǎo)航的繞飛小天體探測器，給出了一種利用高斯-馬爾科夫過程和Unscented卡爾曼濾波的導(dǎo)航算法，以解決軌道動力學(xué)模型的不確知和強(qiáng)非線性問題，提高軌道確定精度并保證算法的穩(wěn)定性。通過對觀測矩陣奇異值、條件數(shù)的討論，對影響軌道確定

4、精度的因素進(jìn)行了分析，給出了導(dǎo)航路標(biāo)選取的基本準(zhǔn)則。
　　接著，對探測器下降位置、姿態(tài)自主確定與控制方法進(jìn)行了研究。針對利用導(dǎo)航路標(biāo)進(jìn)行六自由度狀態(tài)確定這一非線性、模糊性問題，利用觀測角作為觀測量，對像素觀測方程中位置與姿態(tài)狀態(tài)解耦求解，減小算法的復(fù)雜性，提高求解精度。同時，對導(dǎo)航路標(biāo)及其與探測器之間位置關(guān)系對位姿確定精度的影響進(jìn)行了分析，給出了導(dǎo)航路標(biāo)最優(yōu)觀測方案。針對采用脈沖制動方式的探測器，提出了一種自主的閉環(huán)下降控制方法，

5、考慮到探測器垂直軟著陸的約束，利用勢函數(shù)制導(dǎo)法設(shè)計了接近段內(nèi)的閉環(huán)制動控制律，抑制由動力學(xué)參數(shù)不確知性和各干擾力帶來的誤差。
　　然后，對探測器著陸狀態(tài)自主估計與控制方法進(jìn)行了研究。針對小天體軟著陸任務(wù)自主性、實時性的需求，提出了一種利用激光測距儀和光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)跟蹤目標(biāo)著陸點(diǎn)的自主導(dǎo)航方案，利用測距矢量以及目標(biāo)點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，確定著陸平面法向矢量和目標(biāo)點(diǎn)位置?？紤]對水平著陸速度的嚴(yán)格控制，通過分析期望的探測器下降軌跡特點(diǎn)，給出了