小天體探測器光學導航與自主控制方法研究.pdf

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

2、接近軌道確定與自主交會制導方法進行了研究。參考目前主要的導航方式，結合小天體探測的特點，對小天體接近交會探測的導航方案、方法進行了設計和分析?；陬A測制導技術對小天體自主交會制導律進行了設計，并在對機動時刻、目標點位置等制導參數(shù)影響分析的基礎上，針對基本預測制導中軌道修正機動時刻無法自主選取的問題，提出了一種機動時刻選取準則，通過B平面誤差橢圓的引入，對小天體探測器預測制導律進行了改進。
　　其次，對探測器繞飛軌道及目標天體參數(shù)確

3、定方法進行了研究?？紤]繞飛小天體初期待估參數(shù)多、動力學環(huán)境復雜等特點，利用SRIF濾波器對組合導航數(shù)據(jù)進行處理，對探測器繞飛軌道以及目標天體引力場模型、自旋狀態(tài)、星歷信息等動力學參數(shù)進行估計。針對利用路標進行自主導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卡爾曼濾波的導航算法，以解決軌道動力學模型的不確知和強非線性問題，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、精度的因素進行了分析，給出了導航路標選取的基本準則。
　　接著，對探測器下降位置、姿態(tài)自主確定與控制方法進行了研究。針對利用導航路標進行六自由度狀態(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，減小算法的復雜性，提高求解精度。同時，對導航路標及其與探測器之間位置關系對位姿確定精度的影響進行了分析，給出了導航路標最優(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)制導法設計了接近段內的閉環(huán)制動控制律，抑制由動力學參數(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行了研究。針對小天體軟著陸任務自主性、實時性的需求，提出了一種利用激光測距儀和光學導航相機跟蹤目標著陸點的自主導航方案，利用測距矢量以及目標點之間的幾何關系，確定著陸平面法向矢量和目標點位置?？紤]對水平著陸速度的嚴格控制，通過分析期望的探測器下降軌跡特點，給出了