小卫星多传感器自主导航关键技术研究

论文摘要

现代小卫星以其低廉的成本、机动灵活的特点以及快速吸纳新技术的能力,在各个国家正越来越受到重视。本文针对低轨小卫星的技术特点,开展了小卫星自主导航技术与组合导航技术研究,主要研究内容包括以下几个方面:鉴于磁强计具有体积小、重量轻的特点以及良好的自主导航性能,本文首先深入研究了基于地磁信息的自主导航方法。在此基础上,提出了磁强计/雷达高度计组合定轨的小卫星自主定轨基本方案,设计了地心赤道惯性坐标系下磁强计/雷达高度计组合滤波算法。为有效改善单纯依靠地磁自主导航在精度和可靠性方面的不足,进一步研究了基于星敏感器/红外地球敏感器的自主导航方法和基于紫外敏感器的自主导航方法,以此作为对地磁导航方案的有效补充,设计了基于联邦滤波的小卫星多传感器自主导航方案,有效提高了自主导航系统的精度和可靠性。针对小卫星非线性定轨特点,将UKF算法(Unscented Kalman Filter)引入到自主导航系统中。针对基于对称采样策略的UKF算法在计算效率方面的不足,提出了改进的基于最小偏度采样策略的SRUKF(Square Root Unscented Kalman Filter)算法,又进一步提出了基于无复位结构的组合导航系统联邦SRUKF滤波算法,从而有效提高了多传感器组合导航系统的定轨精度;同时,还针对多传感器组合导航系统中存在量测周期不一致的问题,提出了实现联邦SRUKF滤波信息同步处理的算法,从而确保了多传感器信息的有效融合。上述研究成果对小卫星导航系统的实际应用具有重要的理论意义和工程价值。为了提高多传感器组合导航系统的可靠性和容错性能,研究了应用于联邦SRUKF滤波器的故障检测算法;首先,针对常规状态χ2检验法存在的局限性,提出了改进的双状态χ2检验法;然后,采用模糊阈值的方法对残差χ2检验法进行了改进;在此基础上,设计了联邦SRUKF滤波器的容错方案:在主滤波器中使用双状态χ2检验法,在子滤波器中使用改进后的残差χ2检验法,实现对系统渐变故障和突变故障的有效检测和隔离。最后,为了对本文提出的算法和方案进行有效验证,将专业卫星仿真软件STK(Satellite Tool Kit)与MATLAB相结合,设计并实现了小卫星轨道确定系统软件仿真平台。将上述重要算法在该平台上进行了大量的测试,取得了良好的效果,为算法的实际应用打下了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 小卫星自主导航技术
• 1.2.1 空间坐标系和卫星轨道要素
• 1.2.2 小卫星自主导航技术发展现状
• 1.2.3 卫星轨道估计算法
• 1.3 多传感器信息融合
• 1.3.1 多传感器组合导航及信息融合理论
• 1.3.2 组合导航系统故障诊断与容错设计
• 1.4 课题背景与意义
• 1.5 论文主要研究内容与章节安排
• 第二章 基于地磁信息的小卫星自主导航方案及算法研究
• 2.1 引言
• 2.2 基于地磁矢量的卫星自主导航方案
• 2.3 单磁强计自主导航算法研究
• 2.3.1 单磁强计测量模型的建立
• 2.3.2 基于扩展卡尔曼滤波的定轨算法设计
• 2.3.3 仿真结果与分析
• 2.4 磁强计/雷达高度计组合导航方案设计
• 2.4.1 磁强计/雷达高度计组合定轨的设计思想
• 2.4.2 雷达高度计测量模型的建立
• 2.4.3 基于扩展卡尔曼滤波的定轨方案
• 2.4.4 仿真结果与分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 小卫星多传感器自主导航方案研究
• 3.1 引言
• 3.2 小卫星自主导航配置方案研究
• 3.2.1 星敏感器/红外地球敏感器组合导航方案
• 3.2.2 紫外敏感器自主导航方案
• 3.3 多传感器自主组合导航方案设计
• 3.3.1 联邦滤波器设计
• 3.3.2 信息融合模式的选择
• 3.4 仿真结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 小卫星联邦SRUKF 滤波算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 SRUKF 滤波算法设计
• 4.2.1 UKF 滤波算法
• 4.2.2 基于最小偏度采样的SRUKF 算法
• 4.2.3 仿真结果与分析
• 4.3 基于SRUKF 算法的联邦滤波器设计
• 4.3.1 高精度的卫星轨道动力学方程建模
• 4.3.2 基于无复位结构的组合导航方案设计
• 4.3.3 联邦SRUKF 滤波算法
• 4.3.4 仿真结果与分析
• 4.4 多传感器非等间隔信息融合算法研究
• 4.4.1 量测周期不一致时的非等间隔信息融合算法
• 4.4.2 仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 联邦SRUKF 滤波器中的故障检测算法研究
• 5.1 引言
• 2 检验法在联邦SRUKF 滤波器中的应用'>5.2 状态χ² 检验法在联邦SRUKF 滤波器中的应用
• 2 检验法'>5.2.1 状态χ²检验法
• 2 检验法的改进算法研究'>5.2.2 状态χ²检验法的改进算法研究
• 5.2.3 仿真结果与分析
• 2 检验法在联邦SRUKF 滤波器中的应用'>5.3 残差χ² 检验法在联邦SRUKF 滤波器中的应用
• 2 检验法'>5.3.1 残差χ²检验法
• 2 检验法的改进算法研究'>5.3.2 残差χ²检验法的改进算法研究
• 5.3.3 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 小卫星多传感器自主导航仿真系统设计与实现
• 6.1 引言
• 6.2 多传感器容错自主导航仿真系统设计
• 6.2.1 多传感器自主导航系统仿真平台方案
• 6.2.2 仿真平台系统结构设计
• 6.2.3 仿真平台工作流程设计
• 6.3 仿真平台性能分析
• 6.3.1 基于地磁信息的自主导航方案仿真结果分析
• 6.3.2 多种组合方式的仿真结果分析
• 6.3.3 子系统量测周期不同情况下的仿真结果分析
• 6.3.4 子系统中存在故障时的仿真结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文主要工作和研究内容
• 7.1.1 论文工作总结
• 7.1.2 本文主要工作与创新之处
• 7.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文