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航天器星光自主导航仿真系统研究与实现

刘剑辉  
【摘要】: 导航技术在深空探测和载人航天中具有重要的地位,而现行的航天器导航通常是依靠地面基站进行的,存在数据传输量大、处理困难和易受干扰等不足,发展航天器自主导航系统可以避免这些问题。星光自主导航作为一种重要的航天器自主导航方法,凭借其精度高、抗干扰能力强等优势,目前已成为各经济、军事大国研究的重点。由于起步晚,我国对自主导航技术的研究比较落后。考虑到航天实验的高投入,高风险,一般采用计算仿真技术对星光自主导航进行模拟研究。通过构建一个航天器星光自主导航仿真系统可以为相关研究提供一个基本的实验环境。 本文对星光自主导航中相关的建模技术进行了研究,并借助系统仿真技术,实现了一个星光自主导航仿真系统。主要研究内容包括: (1)分析了星光自主导航仿真系统的特点,按照可视化仿真的要求,设计了一种扩展性和复用性较好的软件系统框架,应用模块化设计思想,对系统进行了功能模块的划分。 (2)根据航天器轨道动力学原理,考虑地球形状,大气阻力,第三体引力,太阳光压等摄动因素,建立了精确的航天器运动模型以及自主导航系统的状态方程和量测方程。 (3)选取SAO星表为系统的基本星表,通过提取其中的星等,赤经,赤纬和自行等参数对其进行了简化,并在此基础上建立了导航星库;为减少匹配星库的数据量,提高星图识别速率,提出了一种根据星敏感器视场的大小来建立匹配星库的方法。 (4)根据卫星的实时位置,对星敏感器视轴和视场进行了建模,为提高观测星的提取精度,提出了一种分步提取观测星的方法,并通过坐标系的转化,仿真生成了航天器当前位置所摄取的星图。 (5)改进了传统的星图扫描算法,采用了基于主星对的三角形匹配算法,对星图进行识别,并对识别算法的成功率进行了验证。 基于以上研究,实现了一个星空背景下航天器星光自主导航仿真系统原型,并通过对测试数据分析,对星光自主导航的精度进行了验证,结果表明星光自主导航具有较高的精度。


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