基于大气折射的可视化自主导航仿真平台研究

论文摘要

近几年,随着航天事业的蓬勃发展,基于星光大气折射的自主导航方法因具有全自主、高精度、低成本等优点开始受到人们的关注。在航天仿真领域,可视化仿真技术作为一种重要的仿真手段,可降低航空实验的成本和风险,现已广泛应用于人造卫星、航天飞船等工程研制中。为降低地面导航计算的复杂性和导航试验的成本,本文从可视化仿真的角度对星光大气折射自主导航进行剖析,重点研究了大气折射模型和星空背景建模技术,开发出具有卫星导航演示功能的原型仿真平台。(1)对自主导航仿真平台的基本功能和目标进行分析,采用MVC设计思想建立平台的总体框架。研究平台中星光折射自主导航组件的原理与组成,构建仿真平台的数据库并加以规范化。(2)为提高计算效率以保证可视化仿真的实时性,对自主导航组件的建模进行研究。建立考虑摄动影响的卫星动力学模型;通过分析大气密度随高度的变化规律来建立简化的大气折射模型和系统观测模型。该模型不考虑大气压和温度等因素的影响,形式上比较简单,计算量低,对可视化仿真具有一定的应用价值。(3)对可视化场景中的星空背景建模原理进行分析,给出恒星视位置的计算方法。考虑大气压强、温度等对折射率的影响,提出一种融合大气折射的逼真星空背景绘制算法。绘制结果表明,该算法相比常规星空模拟方法更具逼真性;在根据星表动态生成星空时,具有较好的实时性。(4)对可视化仿真驱动框架和驱动流程进行研究,基于MultiGen Creator和Vega Prime软件平台开发出可视化自主导航原型仿真平台。该平台使用导航数据对卫星进行实时驱动,借助星空背景绘制、视点切换等技术,较好地演示了卫星在轨运行的全过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于星光折射的自主导航技术
• 1.2.2 可视化航天仿真技术
• 1.2.3 星空背景建模与仿真
• 1.3 本文主要内容和结构安排
• 第二章 可视化导航仿真平台总体设计
• 2.1 可视化导航仿真平台功能
• 2.1.1 平台目标
• 2.1.2 平台功能
• 2.2 可视化仿真平台的体系结构
• 2.2.1 基于MVC的设计思想
• 2.2.2 平台逻辑框架
• 2.2.3 各模块功能
• 2.3 星光折射自主导航组件的原理与组成
• 2.3.1 星敏感器结构
• 2.3.2 星光自主导航原理
• 2.3.3 组件构成
• 2.4 可视化仿真平台数据库管理模式
• 2.4.1 数据库组成
• 2.4.2 数据库标准化
• 2.5 本章小结
• 第三章 星光折射自主导航建模与仿真
• 3.1 轨道动力学中常用坐标系及其变换
• 3.2 航天器轨道动力学方程
• 3.2.1 卫星运动理论
• 3.2.2 卫星轨道摄动
• 3.3 大气折射模型
• 3.3.1 密度标尺高度模型
• 3.3.2 大气密度模型
• 3.3.3 大气折射模型
• 3.3.4 模型分析
• 3.4 星光折射自主导航仿真模型
• 3.4.1 系统观测方程
• 3.4.2 自主导航滤波算法
• 3.5 本章小结
• 第四章 星空背景建模与可视化
• 4.1 建模基础
• 4.1.1 天球坐标系
• 4.1.2 自行、岁差和章动
• 4.1.3 星等和星表
• 4.2 恒星视位置计算
• 4.2.1 历元时刻到观测时刻的时间转换
• 4.2.2 真坐标到观测坐标的空间转换
• 4.3 考虑大气折射的星空可视化算法
• 4.3.1 大气折射中的温度和大气压强模型
• 4.3.2 恒星亮度计算
• 4.3.3 光谱颜色转换模型
• 4.3.4 星点绘制
• 4.3.5 逼真星空绘制算法流程
• 4.3.6 绘制结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 可视化自主导航原型仿真平台的实现
• 5.1 模型对象建模及优化
• 5.1.1 使用纹理映射进行地球建模
• 5.1.2 卫星建模
• 5.1.3 层次化建模
• 5.1.4 LOD技术
• 5.2 视图模块的视景驱动和显示
• 5.2.1 仿真驱动程序主框架
• 5.2.2 卫星运行轨迹绘制
• 5.3 可视化导航仿真平台运行结果
• 5.3.1 平台运行界面
• 5.3.2 平台数据
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果