月面起飞初始对准及惯性器件标定技术研究

论文摘要

月球登陆器是月球探测最直接有效的工具,登陆器在抵达月球后,落点位置难免会有偏差,姿态也需要及时测定,而且由于长时间的月面作业,其携带的惯导系统累计误差较大。当登陆器从月面起飞时,需利用外部提供的导航信息对登陆器进行初始位姿确定,并进一步对惯导进行初始对准,为登陆器的成功返航提供准确的导航基础。同时,需要估计出月面环境下惯性器件（陀螺和加速度计）的误差,实现对惯性器件的误差标定。考虑登陆器月面起飞时的特殊环境,论文提出利用VLBI（Very Long Baseline Interferometry甚长基线干涉测量）地面测控+自主天文观测的方法进行登陆器起飞初始定位,这样能兼顾地面测控定位精度好、可靠性高和天文观测定位自主性强的特点,很好地满足月面登陆器精确定位的要求。通过差分VLBI定位方法减小或消除了地面测控的系统误差,实现登陆器的高精度定位;基于我国目前的VLBI测控网,提出了一个实现月球登陆器准确定位的地面测控方案,并通过数学仿真,验证了方案和算法的可行性和合理性。提出利用星敏感器测姿、加速度计结合太阳敏感器测姿两种方法给月球登陆器进行起飞初始定姿。星敏感器测量精度高,但视场范围小,若星敏感器因为无法获得导航星的原因而得不到有效的姿态数据时,则考虑使用太阳敏感器获得太阳矢量信息,再结合加速度计获得的月球重力方向进行定姿,这种方案保证了精度和可靠性两大最重要的定姿指标,具有较好的工程参考价值。选用月球当地水平坐标系为导航坐标系,结合月球的环境特性,对月面静基座条件下的惯导工作特性进行详细分析,并对惯性器件误差、惯导系统误差进行精确建模。先通过月面静基座初始自对准方法,粗略估计得到登陆器小量姿态失准角,在此基础上,以惯导一阶误差传播模型为状态方程,同时为了实现标定,根据惯性器件误差传播模型,将惯性器件的随机常值误差项扩展为状态量,利用静基座下惯导的速度输出、地面测控定位信息和星光定姿信息建立量测方程,设计滤波器,通过卡尔曼滤波算法估计出登陆器在导航坐标系下的姿态失准角误差和惯性器件的随机常值误差,从而实现月面起飞初始对准和惯性器件标定。仿真结果表明,通过该方案能够达到较高的初始对准精度,并对惯性器件误差有较好的估计效果,能满足标定要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究目的和意义
• 1.2 相关领域研究现状
• 1.2.1 月球探测器发展现状
• 1.2.2 深空探测器导航技术发展现状
• 1.2.3 初始对准及惯性器件标定技术发展现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第2章 月面起飞初始定位
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系选择及定义
• 2.3 坐标系间的相互转换
• 2.4 月面登陆器起飞前初始位置确定
• 2.4.1 登陆器VLBI定位原理算法
• 2.4.2 登陆器VLBI定位方案设计
• 2.4.3 自主天文观测定位
• 2.5 VLBI定位算法和方案仿真验证
• 2.5.1 方案仿真流程图
• 2.5.2 仿真参数及条件
• 2.5.3 仿真结果分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 月面起飞初始定姿
• 3.1 引言
• 3.2 月面登陆器起飞前初始姿态确定
• 3.2.1 星敏感器的测量模型
• 3.2.2 两种姿态确定方法
• 3.3 本章小结
• 第4章 月面起飞初始对准及惯性器件标定
• 4.1 引言
• 4.2 月面初始自对准
• 4.2.1 登陆器初始自对准原理算法
• 4.2.2 数值仿真分析
• 4.3 月面静基座惯导工作特性分析
• 4.4 月面环境下惯导系统误差模型
• 4.4.1 惯性器件随机误差建模
• 4.4.2 惯导状态误差传播模型
• 4.5 月面环境下惯导系统误差估计与器件标定
• 4.5.1 卡尔曼滤波
• 4.5.2 滤波器设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 数值仿真分析
• 5.1 引言
• 5.2 仿真流程图
• 5.2.1 静基座下模拟惯导输出流程图
• 5.2.2 初始对准仿真流程图
• 5.2.3 仿真条件和基本参数设置
• 5.2.4 姿态敏感器采样频率和滤波周期的选择
• 5.3 月面静基座下惯导工作特性分析
• 5.3.1 惯性器件测量输出
• 5.3.2 惯导误差特性分析
• 5.4 对准仿真结果分析
• 5.4.1 对准误差定性分析
• 5.4.2 对准仿真结果分析
• 5.5 惯性器件误差对对准效果的影响
• 5.5.1 A条件下仿真结果
• 5.5.2 B条件下仿真结果
• 5.5.3 对比分析和结论
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢