深空自主導航方法研究及在接近小天體中的應用.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劃的推出，深空探測成為21世紀航天技術發(fā)展的重點領域。由于深空探測任務距離遙遠，所以探測器自主導航技術是深空探測領域備受重視的關鍵技術之一。本學位論文結合十五863項目“深空探測自主技術與仿真演示系統(tǒng)”、“小行星探測技術及其實驗系統(tǒng)研究”，深入研究了探測器自主導航系統(tǒng)的設計，并建立了接近段自主導航半實物仿真系統(tǒng)。論文的主要研究內容包括：
　　建立了深空自主導航系統(tǒng)的動力學模型和觀測模

2、型，并分析了應用觀測信息進行位置確定、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中飛行軌跡、導航天體、拍照策略以及導航算法的研究，結合深空環(huán)境的特點建立了分離段、巡航段、接近段、繞飛和著陸段以及動平衡點附近的軌道動力學模型和以角度、距離、方向、時間為觀測量的觀測模型。結合觀測模型的數學描述，依據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信息與小天體自轉

3、角速度和特征點半徑間的幾何關系。
　　研究了深空自主導航系統(tǒng)的性能分析方法。針對導航系統(tǒng)是否可觀測的問題，分析了非線性導航系統(tǒng)的可觀測性和可觀測度判別方法，給出了接近段導航系統(tǒng)的可觀測度判別標準的解析形式。考慮到線性化誤差對導航系統(tǒng)性能的影響，利用適合工程應用的非線性強度判別方法，比較了接近段導航系統(tǒng)采用角度觀測和圖像觀測時的非線性強度。為了保證導航系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利用擴展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。
　　研究了深空自主導航算法中的模型和算法設計問題。結合導航系統(tǒng)的可觀測性、非線性特性和計算效率，比較了不同變量描述的導航系統(tǒng)模型特性。選定導航模型后，針對模型簡化問題，提出了一種結合Kalman濾波算法的以誤差協方差為判別標準的簡化判別方法。依據導航模型在不同坐標系內的性能，引入Bplane坐標系，設計了一種建立在此坐標系內的接近段通用相對導航算法，解決了撞擊任務中的導航系統(tǒng)在目標天體質心慣性坐標系內不可觀的問題。針對觀測

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