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火星大气进入段自主导航方案设计与方法研究

邓剑峰  
【摘要】:火星着陆探测是未来深空探测的热点之一,而大气进入段是火星着陆过程中最关键也最危险的阶段。大气进入段自主导航技术对制导与控制系统有着重要影响,是决定着陆任务成败的关键技术之一。进入段飞行环境的特殊性给自主导航带来了严峻挑战,其主要难点表现在导航信息匮乏、动力学系统强非线性及模型参数的不确定性。针对上述难题,本文对火星大气进入段自主导航方案设计和状态估计方法进行了深入的研究。论文的主要研究工作如下:首先,针对未来火星高精度着陆探测对导航系统的精度需求,对火星大气进入段自主导航方案设计进行研究分析。建立了火星大气进入段动力学模型及可用敏感器的观测模型,并对各敏感器的测量特性进行了分析,为后续导航方案设计提供依据。在此基础上,提出把动压测量信息引入导航方案设计中,并根据直接进入和环绕进入两种不同的大气进入方式构建了动压测量辅助组合导航方案。针对环绕进入导航方案中不同敏感器测量信息质量动态变化的问题,提出了一种自适应信息融合策略,可以降低单个敏感器故障对导航系统性能的影响,提高导航系统的精度及稳定性。其次,针对火星大气进入过程中过载峰值阶段动力学系统非线性强、扰动大这一难点,提出了一种基于灵敏度抑制的非线性差分滤波方法。建立了导航系统非线性量测方程,分析了火星大气进入过程中系统的非线性度随时间的变化规律,并以状态误差对不确定参数的灵敏度为指标分析了不确定参数对状态估计精度的影响。在此基础上,结合传统差分滤波方法,把状态估计误差对不确定参数的灵敏度矩阵的加权平方的迹增广为代价函数,推导给出了具有解析形式滤波增益的弱敏感一阶和二阶差分滤波方法,并根据在线求取的导航系统的非线性度提出了一种弱敏感差分滤波方法滤波阶次自适应选取策略,从而降低了不确定参数及系统强非线性对状态估计精度的影响。接着,针对火星大气密度不确定性大对导航系统状态估计精度的影响,提出了一种基于新息自适应的多模型估计方法。分析了火星大气密度的不确定性随高度及经纬度的分布特性,建立了大气密度对动力学的扰动模型并分析了其对导航精度的影响。提出采用多个指数模型来近似火星大气密度的分布,利用各模型的测量新息自适应求取对应的权值,并基于梯度法对各模型的权值进行实时更新。该方法可以根据大气密度的变化自适应选取模型组中与真实参数最接近的模型,从而实现对探测器状态的最优估计。随后,在理论方法研究的基础上,设计了火星大气进入段自主导航仿真演示系统,并对不同导航方法的性能进行了仿真分析。采用模块化设计思想,对构成仿真演示系统的大气密度模块、敏感器模块、导航算法模块和可视化演示模块等进行独立设计。在火星大气密度模块中,研究了一种火星大气三维解析密度模型。最后,结合“火星探路者号”和“好奇号”两个典型着陆任务的参数对其大气进入过程的导航性能进行了分析。在此基础上,利用此仿真系统对本文提出的自主导航方案和方法的可行性、合理性以及有效性进行了综合分析。


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