小天体撞击探测导航与制导方法研究

论文摘要

小天体撞击探测任务具有很大的科学意义和价值。在撞击器接近目标天体过程中,自主导航精度与撞击制导律的选取将直接决定撞击探测任务的成功与否以及最终的撞击性能。本课题进行了高精度小天体撞击探测自主导航与制导方法研究。首先,为避免星历误差的影响,采用对目标天体的直接观测方案,建立了简化的相对轨道动力学模型和以目标天体图像信息为观测量的观测模型。根据小天体撞击任务的特殊条件,采用B平面参数描述撞击器导航系统的方法,避免了撞击器与目标天体径向距离不可观测带来的问题。在对导航系统可观测性分析的基础上,设计了基于扩展卡尔曼滤波的自主导航算法。其次,在自主导航基础上,基于预测制导思想,进行了小天体撞击探测的精确制导律设计。引入动力学模型预测末端状态,通过优化机动脉冲使预测与期望的撞击点偏差最小。结合任务周期设计了时刻固定的三次点火机动方案,并给出了小推力发动机点火控制的修正方法。最后,设计了小天体撞击探测导航制导数学仿真平台,对影响导航与制导系统精度的各误差源进行分析,并建立了其数学模型,在此基础上进行蒙特卡罗仿真。仿真结果验证了所提出的导航制导方法是可行的,撞击精度达到了148.8m。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 探测器自主导航研究现状
• 1.2.2 探测器制导研究现状
• 1.2.3 本文主要研究内容
• 第2章 小天体接近段轨道动力学模型和观测模型
• 2.1 参考坐标系
• 2.1.1 探测器本体坐标系
• 2.1.2 日心黄道惯性坐标系
• 2.1.3 小天体质心坐标系
• 2.1.4 B平面坐标系
• 2.2 轨道动力学模型
• 2.3 导航方案分析与观测模型建立
• 2.3.1 观测模型
• 2.3.2 图像信息的处理
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于目标天体图像信息的自主导航算法
• 3.1 B平面坐标系的引入
• 3.2 撞击器导航系统状态方程和观测方程
• 3.2.1 撞击器导航系统状态方程
• 3.2.2 撞击器导航系统观测方程
• 3.3 自主导航系统可观测性分析
• 3.3.1 可观测性分析
• 3.3.2 可观测性分析结果
• 3.4 基于扩展卡尔曼滤波的自主导航算法
• 3.5 本章小结
• 第4章 小天体撞击探测的精确制导律设计
• 4.1 预测制导算法
• 4.2 点火控制修正方法
• 4.3 撞击器预测制导方案
• 4.4 本章小结
• 第5章 蒙特卡罗仿真
• 5.1 自主导航算法数学仿真
• 5.1.1 仿真方案
• 5.1.2 仿真结果与误差源影响分析
• 5.2 预测制导算法数学仿真
• 5.2.1 误差源独立影响仿真分析
• 5.2.2 误差源的综合影响仿真分析
• 5.2.3 点火时刻和目标点选取的影响分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢