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深空自主导航方法研究及在接近小天体中的应用

刘宇飞  
【摘要】: 随着重返月球、载人登陆火星以及小行星和彗星探测计划的推出,深空探测成为21世纪航天技术发展的重点领域。由于深空探测任务距离遥远,所以探测器自主导航技术是深空探测领域备受重视的关键技术之一。本学位论文结合十五863项目“深空探测自主技术与仿真演示系统”、“小行星探测技术及其实验系统研究”,深入研究了探测器自主导航系统的设计,并建立了接近段自主导航半实物仿真系统。论文的主要研究内容包括: 建立了深空自主导航系统的动力学模型和观测模型,并分析了应用观测信息进行位置确定、姿态确定和小天体特性确定的方法。通过对深空探测任务中飞行轨迹、导航天体、拍照策略以及导航算法的研究,结合深空环境的特点建立了分离段、巡航段、接近段、绕飞和着陆段以及动平衡点附近的轨道动力学模型和以角度、距离、方向、时间为观测量的观测模型。结合观测模型的数学描述,依据观测信息在空间中的几何意义,利用位置面方法确定了不同观测手段、不同导航阶段,各种观测信息描述下的探测器位置以及单一特征点信息与小天体自转角速度和特征点半径间的几何关系。 研究了深空自主导航系统的性能分析方法。针对导航系统是否可观测的问题,分析了非线性导航系统的可观测性和可观测度判别方法,给出了接近段导航系统的可观测度判别标准的解析形式。考虑到线性化误差对导航系统性能的影响,利用适合工程应用的非线性强度判别方法,比较了接近段导航系统采用角度观测和图像观测时的非线性强度。为了保证导航系统的稳定性,利用扩展Kalman滤波器的稳定性定理分析了系统对观测噪声及初始偏差约束。 研究了深空自主导航算法中的模型和算法设计问题。结合导航系统的可观测性、非线性特性和计算效率,比较了不同变量描述的导航系统模型特性。选定导航模型后,针对模型简化问题,提出了一种结合Kalman滤波算法的以误差协方差为判别标准的简化判别方法。依据导航模型在不同坐标系内的性能,引入Bplane坐标系,设计了一种建立在此坐标系内的接近段通用相对导航算法,解决了撞击任务中的导航系统在目标天体质心惯性坐标系内不可观的问题。针对观测模型,研究了导航星的选取及观测冗余问题。 为了预估导航系统的精度,研究了精度评价方法并给出了导航系统误差界公式。对建立在Bplane坐标系内的导航系统,引入了利用误差椭圆进行导航精度描述的方法。针对直接可以由观测量表示的状态,给出了可以预估导航精度的非线性误差传递公式。对于在同一个平面内利用三个已知位置的特征点来进行定位的导航系统,结合噪声特性得出了测量噪声为随机噪声和偏移噪声时系统状态估计的误差界计算公式,并通过对误差界公式的分析给出了最优特征点分布。 最后在上述研究成果基础上,针对“深度撞击”任务设计了一种自主导航方案,建立了基于光学导航相机、星敏感器、小行星地貌模拟器和Matlab/Simulink/dSPACE的自主导航系统半实物仿真系统,通过数学和半实物仿真对探测器状态和小天体特性进行了估计,验证了所设计的深空自主导航系统方案的可行性。


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