航天器星光自主导航仿真系统研究与实现

论文摘要

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。

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
• 1.3 本文的主要研究内容和结构安排
• 第二章 航天器轨道运动学及自主导航原理
• 2.1 时间和空间坐标系统
• 2.1.1 系统中的时间系统
• 2.1.2 空间坐标系统
• 2.1.3 坐标系统间的转换
• 2.2 航天器运动模型
• 2.2.1 开普勒轨道根数
• 2.2.2 轨道摄动方程及其求解
• 2.2.3 导航系统的卡尔曼滤波方程
• 2.3 星光自主导航的原理及观测方程
• 2.3.1 直接敏感地平原理与观测方程建模
• 2.3.2 大气折射间接敏感地平原理与观测方程建模
• 2.4 小结
• 第三章 星图模拟与识别
• 3.1 星库建模
• 3.1.1 星表介绍
• 3.1.2 星表的时间转换
• 3.1.3 星表的空间转换
• 3.1.4 导航星库的建立
• 3.1.5 匹配星库的建立
• 3.2 星敏感器建模
• 3.2.1 星敏感器模拟流程
• 3.2.2 星敏感器原理
• 3.2.3 星敏感器视轴建模
• 3.2.4 星敏感器视场建模
• 3.2.5 分步法提取观测星
• 3.2.7 星象模拟
• 3.2.8 星等到灰度的转换
• 3.3 星图的提取
• 3.3.1 星图的特点
• 3.3.2 星图的分割与方法
• 3.3.3 星体目标的细分定位算法
• 3.3.4 改进的星图扫描算法
• 3.4 星图识别
• 3.4.1 影响星图识别的因素
• 3.4.2 星图识别算法
• 3.4.3 采用的星图识别算法
• 3.5 总结
• 第四章 系统的设计与实现
• 4.1 可视化仿真系统结构分析
• 4.2 系统的总体设计
• 4.2.1 系统特点
• 4.2.2 设计思想
• 4.3 系统模块化划分
• 4.4 系统的实现
• 4.4.1 三维场景显示中的关键技术
• 4.4.2 航天器和地球的三维模型
• 4.5 系统的测试与验证
• 4.5.1 航天器轨道位置的计算
• 4.5.2 星图的获取
• 4.5.3 星图的质心提取
• 4.5.4 星图的匹配
• 4.5.6 导航计算
• 4.6 小结
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果