卫星多传感器自主导航方案及算法研究

论文摘要

航天器轨道的确定是对航天器进行制导和控制的前提,是一项关键的技术。随着航天器数目的增加及地理条件的限制,利用地面站点进行定轨的弊端日益暴露出来,而航天器自主导航则成为卫星自主测控的发展方向。本文针对近地轨道卫星导航精度和可靠性的实际需求出发,在分析了卫星可能配置的各种导航敏感器的基础上,针对各种不同配置方案,对所涉及的自主导航关键技术进行了研究;在对不同配置方案研究基础上,采用多传感器信息融合理论,综合卫星可能配置的各种导航敏感器信息,还设计了基于伪距和姿态敏感器的卫星多传感器自主导航方案,以进一步提高卫星自主导航的精度和可靠性。论文开展了近地轨道卫星动力学建模研究,适合近地轨道卫星的动力学方程建模是卫星自主导航实现的基础。为此,本文首先在地心赤道惯性坐标系下,分析了地球形状、日月引力、太阳光压、大气阻力等摄动因素对轨道的影响,并在此基础上结合近地轨道卫星的轨道运行特点,分析建立了近地卫星的轨道动力学模型。论文结合卫星轨道动力学特点,首先考虑采用GPS伪距进行自主导航,对GPS卫星的可见性进行分析,建立了系统的观测模型;在分析GPS误差模型基础上,设计了相应的卡尔曼滤波器对卫星的自主导航性能进行了数学仿真分析。另外,针对GPS无法使用的情况下,仅考虑利用星上可能配置的姿态敏感器进行卫星自主导航,主要针对星敏感器/红外地平仪或紫外敏感器两种导航方案进行了分析研究,分析建立了这两种方案下的自主导航数学模型,最后通过数字仿真较深入地研究和探讨了这两种方案下的自主导航精度。论文最后结合上述研究工作,利用多传感器信息融合理论,分析提出了“GPS/星敏感器/红外地平仪/紫外敏感器”的多传感器卫星自主组合导航方案,并进行了相应的性能分析,表明采用多传感器信息融合理论可以提高卫星自主导航精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 卫星自主导航技术研究综述
• 1.3 卫星自主导航技术国内外研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 卫星自主导航方案研究
• 2.1 引言
• 2.2 星载敏感器配置
• 2.2.1 星敏感器
• 2.2.2 红外地平仪
• 2.2.3 紫外敏感器
• 2.2.4 GPS 接收机
• 2.3 卫星自主导航方案分析
• 2.3.1 基于GPS 接收机的卫星自主导航方案
• 2.3.2 星敏感器/红外地平仪卫星自主导航方案
• 2.3.3 基于紫外敏感器的卫星自主导航方案
• 2.3.4 多传感器信息融合理论在卫星自主导航中的应用
• 2.3.5 各种自主导航方案对比分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 卫星轨道动力学分析建模研究
• 3.1 引言
• 3.2 卫星轨道动力学建模基础
• 3.2.1 时间系统
• 3.2.2 坐标系的定义
• 3.3 卫星轨道动力学建模
• 3.3.1 二体模型
• 3.3.2 摄动力分析
• 3.3.3 仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于GPS 导航星的卫星自主导航研究
• 4.1 引言
• 4.2 GPS 导航原理分析
• 4.3 GPS 可见性分析
• 4.3.1 GPS 卫星发射天线覆盖条件
• 4.3.2 航天器接收机天线覆盖条件
• 4.4 GPS 观测量的误差分析
• 4.5 观测模型建立
• 4.6 状态方程建立
• 4.7 滤波器中参数的确定
• 4.8 仿真计算和结果分析
• 4.8.1 仿真总体模型
• 4.8.2 自主导航仿真
• 4.9 本章小结
• 第五章 基于星敏感器与红外地平仪的卫星自主导航算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 导航原理分析
• 5.3 自主导航观测模型建立及其线性化
• 5.3.1 观测模型建立
• 5.3.2 观测模型的线性化
• 5.4 仿真分析
• 5.4.1 红外地平仪的模拟
• 5.4.2 星敏感器模拟
• 5.4.3 滤波参数确定
• 5.4.4 仿真波形
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于紫外敏感器的卫星自主导航
• 6.1 引言
• 6.2 导航原理分析
• 6.2.1 地心矢量和地心距的求取
• 6.2.2 姿态信息的求取
• 6.3 自主导航的观测模型及其线性化
• 6.3.1 观测模型建立
• 6.3.2 观测模型线性化
• 6.4 扩展卡尔曼滤波
• 6.5 仿真结果与分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 卫星多传感器自主导航算法研究及实现
• 7.1 引言
• 7.2 卫星自主导航算法研究
• 7.2.1 联邦滤波器设计
• 7.2.2 联邦滤波器融合模式的选择
• 7.2.3 联邦滤波器算法
• 7.3 计算机仿真
• 7.4 本章小结
• 第八章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文