深空自主導(dǎo)航方法研究及在接近小天體中的應(yīng)用.pdf

1、隨著重返月球、載人登陸火星以及小行星和彗星探測計(jì)劃的推出，深空探測成為21世紀(jì)航天技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。由于深空探測任務(wù)距離遙遠(yuǎn)，所以探測器自主導(dǎo)航技術(shù)是深空探測領(lǐng)域備受重視的關(guān)鍵技術(shù)之一。本學(xué)位論文結(jié)合十五863項(xiàng)目“深空探測自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”、“小行星探測技術(shù)及其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究”，深入研究了探測器自主導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并建立了接近段自主導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)。論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　建立了深空自主導(dǎo)航系統(tǒng)的動力學(xué)模型和觀測模

2、型，并分析了應(yīng)用觀測信息進(jìn)行位置確定、姿態(tài)確定和小天體特性確定的方法。通過對深空探測任務(wù)中飛行軌跡、導(dǎo)航天體、拍照策略以及導(dǎo)航算法的研究，結(jié)合深空環(huán)境的特點(diǎn)建立了分離段、巡航段、接近段、繞飛和著陸段以及動平衡點(diǎn)附近的軌道動力學(xué)模型和以角度、距離、方向、時(shí)間為觀測量的觀測模型。結(jié)合觀測模型的數(shù)學(xué)描述，依據(jù)觀測信息在空間中的幾何意義，利用位置面方法確定了不同觀測手段、不同導(dǎo)航階段，各種觀測信息描述下的探測器位置以及單一特征點(diǎn)信息與小天體自轉(zhuǎn)

3、角速度和特征點(diǎn)半徑間的幾何關(guān)系。
　　研究了深空自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能分析方法。針對導(dǎo)航系統(tǒng)是否可觀測的問題，分析了非線性導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測性和可觀測度判別方法，給出了接近段導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測度判別標(biāo)準(zhǔn)的解析形式?？紤]到線性化誤差對導(dǎo)航系統(tǒng)性能的影響，利用適合工程應(yīng)用的非線性強(qiáng)度判別方法，比較了接近段導(dǎo)航系統(tǒng)采用角度觀測和圖像觀測時(shí)的非線性強(qiáng)度。為了保證導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利用擴(kuò)展Kalman濾波器的穩(wěn)定性定理分析了系統(tǒng)對觀測噪聲及初始偏差

4、約束。
　　研究了深空自主導(dǎo)航算法中的模型和算法設(shè)計(jì)問題。結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測性、非線性特性和計(jì)算效率，比較了不同變量描述的導(dǎo)航系統(tǒng)模型特性。選定導(dǎo)航模型后，針對模型簡化問題，提出了一種結(jié)合Kalman濾波算法的以誤差協(xié)方差為判別標(biāo)準(zhǔn)的簡化判別方法。依據(jù)導(dǎo)航模型在不同坐標(biāo)系內(nèi)的性能，引入Bplane坐標(biāo)系，設(shè)計(jì)了一種建立在此坐標(biāo)系內(nèi)的接近段通用相對導(dǎo)航算法，解決了撞擊任務(wù)中的導(dǎo)航系統(tǒng)在目標(biāo)天體質(zhì)心慣性坐標(biāo)系內(nèi)不可觀的問題。針對觀測

5、模型，研究了導(dǎo)航星的選取及觀測冗余問題。
　　為了預(yù)估導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，研究了精度評價(jià)方法并給出了導(dǎo)航系統(tǒng)誤差界公式。對建立在Bplane坐標(biāo)系內(nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)，引入了利用誤差橢圓進(jìn)行導(dǎo)航精度描述的方法。針對直接可以由觀測量表示的狀態(tài)，給出了可以預(yù)估導(dǎo)航精度的非線性誤差傳遞公式。對于在同一個(gè)平面內(nèi)利用三個(gè)已知位置的特征點(diǎn)來進(jìn)行定位的導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合噪聲特性得出了測量噪聲為隨機(jī)噪聲和偏移噪聲時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的誤差界計(jì)算公式，并通過對誤差界公式