行星际间飞行的自主导航方法研究

论文摘要

随着人类对太空探索的深入,航天器的行星际间飞行越来越普遍。对于行星际间飞行的航天器,确定其精确的轨道是非常重要的。目前地面站的导航方式有很多缺陷,迫切需要行星际间飞行的航天器具有自主导航能力。在各种自主导航方法中,自主天文导航具有自主性好、导航精度高等优点,适合作为行星际间飞行的自主导航方法。本论文对行星际间飞行的航天器在转移轨道上的自主导航技术进行研究,主要内容包括:建立了基于多体问题的自主导航系统的轨道动力学模型,模型中考虑了近天体对航天器的引力摄动和太阳光压摄动。研究了自主导航的观测类型,采用观测星光角距的方法构建自主导航系统的观测模型。分析了自主导航系统的非线性滤波算法。针对普遍应用的扩展卡尔曼滤波（EKF）和Unscented卡尔曼滤波（UKF）方法进行了详细的讨论,并给出了滤波精度高、数值稳定性好的平方根Unscented卡尔曼滤波（SR-UKF）算法作为自主导航方案的估计方法。确定了行星际间飞行的航天器在转移轨道上的自主导航方案,并讨论了系统的可观测性和可观测度。提出了两种简化的自主导航系统的可观测性和可观测度的研究方法。此外,还给出了一种基于几何解析的自主导航方法。对自主导航方案进行了数值仿真,验证了方案的有效性。并用数值仿真的方法,对系统的可观测度与导航精度进行了多方面的分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 自主导航方法的研究现状
• 1.2.1 主要自主导航方法及其比较
• 1.2.2 行星际间飞行的自主天文导航的研究现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第2章 行星际间飞行的自主导航的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 行星际间飞行的轨道动力学模型
• 2.2.1 参考坐标系的定义
• 2.2.2 轨道摄动因素的概述
• 2.2.3 太阳引力和其它天体的引力摄动
• 2.2.4 太阳光压摄动
• 2.2.5 完整的轨道动力学方程
• 2.3 行星际间飞行的自主导航的观测模型
• 2.3.1 自主导航的光学敏感器
• 2.3.2 自主导航的观测类型
• 2.3.3 基于角度信息的观测方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于卡尔曼滤波的自主导航的估计方法
• 3.1 引言
• 3.2 卡尔曼滤波的基础理论
• 3.3 扩展卡尔曼滤波
• 3.3.1 非线性卡尔曼滤波的线性化
• 3.3.2 扩展卡尔曼滤波
• 3.4 Unscented卡尔曼滤波及其改进
• 3.4.1 Unscented变换
• 3.4.2 Unscented卡尔曼滤波算法
• 3.4.3 平方根Unscented卡尔曼滤波
• 3.5 本章小结
• 第4章 行星际间飞行的自主导航的方案研究
• 4.1 引言
• 4.2 自主导航系统的实现方案
• 4.2.1 自主导航系统的状态方程与状态向量
• 4.2.2 基于星光角距的自主导航的量测方程
• 4.3 自主导航系统的可观测性和可观测度
• 4.3.1 可观测性和可观测度的定义
• 4.3.2 可观测性和可观测度的判定方法
• 4.4 纯天文几何解析的自主导航方案
• 4.5 本章小结
• 第5章 自主导航系统数值仿真及分析
• 5.1 引言
• 5.2 仿真模型的建立
• 5.3 仿真结果及分析
• 5.3.1 行星际间飞行的自主导航方案仿真与评价
• 5.3.2 不同滤波算法的导航精度比较
• 5.3.3 观测对象的选择与可观测性分析
• 5.3.4 航天器的初始误差对系统的影响
• 5.3.5 状态噪声对系统的影响
• 5.3.6 光学设备的精度对系统的影响
• 5.4 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