基于星载敏感器的卫星自主导航及姿态确定方法研究

论文摘要

随着中国神舟系列飞船的成功发射、探月计划和深空探测计划的实施,航天器自主生存能力成为新世纪备受关注的关键技术之一。航天器自主导航及姿态确定技术是卫星自主性的一个重要方面,是当今航天器控制技术的发展趋势,它在减轻地面测控系统负担、降低航天器运行费用、提高航天器生存能力以及扩展卫星的应用潜力等方面都具有重要意义。因此利用多种星载敏感器采用信息融合的方法提高卫星自主导航及姿态确定的精度和可靠性是目前航天器设计的关键内容与热点问题。本论文结合国家安全重大基础研究项目（973）“微型航天器新概念、新机理研究（51312）”这一任务,研究了基于各种星载敏感器相结合的卫星自主导航及姿态确定方法,具体工作如下:与传统方法利用磁强计测量地磁场信息仅单一确定行航天器导航参数或姿态信息相比,提出一种将陀螺与磁强计相结合利用地磁场测量信息同时确定低地球轨道卫星导航参数与姿态信息的方法。首先详细分析了地磁场数学模型及磁强计观测模型;然后推导了轨道六要素轨道动力学模型及姿态四元数运动学模型,建立组合系统状态方程;其次提出将磁强计测量值与国际地磁参考场（IGRF）模型估计值作差,建立组合系统观测方程,通过对两者观测差值的微分分析得到:只用一个观测表达式即能够同时包含航天器的导航参数及姿态信息,最后设计了先进的连续-离散扩展卡尔曼滤波器对组合系统进行了数值仿真,并对仿真结果及系统性能进行分析和讨论。针对目前利用单一天体敏感器自主导航的缺点和不足,提出三种基于信息融合的自主天文导航方法:（1）根据星敏感器与地球敏感器相结合敏感地平方式的不同可以分为直接敏感地平与间接敏感地平。当间接敏感地平观测不到折射星时,引入由地球敏感器测量得到的卫星距离及方向矢量作为新的观测信息。（2）太阳敏感器与磁强计相结合,当卫星运行在不同区域时,根据太阳敏感器的工作原理,可以分为太阳光照区和太阳阴影区两种工作模式。当卫星运行在太阳阴影区时,引入国际地磁参考场（IGRF）模型,以磁强计测量值与IGRF模型夹角余弦作为新的观测信息。（3）针对上述所提出两种基于信息融合的自主导航方法的缺点和不足,提出将上述卫星上常用的天体敏感器相结合进行自主导航。根据上述三种自主导航系统各自的特点,分别设计了基于信息融合的自适应EKF算法对上述系统进行数值仿真,并对仿真结果及系统性能进行分析和讨论。捷联惯性导航系统（SINS）是一种常用的自主导航系统,具有自主性、隐蔽性、宽频带和信息全面等优点,但是其惯性测量元件误差随着时间累积、难以长时间连续工作的缺点和不足同样是非常明显的。星敏感器是目前应用最广泛的星载姿态敏感器,具有指向精度高、无姿态积累误差等特性。因此提出将捷联惯性导航系统与星敏感器相结合,目前最常用的SINS系统误差数学模型是在地球固联坐标系或地理坐标系中的,而星敏感器观测恒星是在地心惯性坐标系中,所以推导了在地心惯性坐标系下的SINS误差数学模型及其传播特性。选取40维状态变量建立组合导航系统状态方程;由SINS和星敏感器输出的姿态四元数得到姿态四元数误差,建立组合导航系统观测方程,最后采用先进的连续-离散扩展卡尔曼滤波器进行数值仿真,并对仿真结果进行分析。系统状态的可观测性和可观测度是检验所设计滤波器收敛精度和速度的重要指标。针对前述所提出的典型自主导航系统,提出三种分析系统可观测性和可观测度的方法:（1）根据系统可观测性定义及分析方法,对直接敏感地平天文导航系统可观测性及影响其的主要因素进行了数值分析;（2）对分段线性定常系统（PWCS）可观测性进行了分析;（3）对PWCS可观测性矩阵进行奇异值分解,分析了系统状态的可观测度。对SINS/CNS组合导航系统进行了基于奇异值分解的可观测性和可观测度分析,对降维前后组合导航系统进行数值仿真,并对仿真结果和系统性能进行了分析和讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状及文献综述
• 1.2.1 自主导航及姿态确定系统发展历史
• 1.2.2 自主导航及姿态确定方法研究现状
• 1.2.3 自主导航及姿态确定系统滤波算法的发展
• 1.3 本文主要内容及章节安排
• 第2章 卫星运动学模型
• 2.1 引言
• 2.2 参考坐标系及其转换
• 2.2.1 参考坐标系
• 2.2.2 坐标系转换
• 2.3 卫星轨道运动模型
• 2.3.1 二体轨道特性
• 2.3.2 轨道动力学模型
• 2.4 卫星姿态运动模型
• 2.4.1 姿态描述
• 2.4.2 姿态运动学模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于地磁场测量的自主导航及姿态确定方法
• 3.1 引言
• 3.2 地磁场数学模型
• 3.2.1 地磁场概述
• 3.2.2 地磁场测量模型
• 3.3 磁强计观测模型
• 3.3.1 磁强计工作原理
• 3.3.2 磁强计数学模型
• 3.4 磁强计与陀螺组合系统数学模型
• 3.4.1 组合系统状态方程
• 3.4.2 组合系统观测方程
• 3.5 磁强计与陀螺组合系统自主导航及姿态确定方法
• 3.5.1 组合系统自主导航及姿态确定原理
• 3.5.2 组合系统滤波算法
• 3.6 磁强计与陀螺组合系统数值仿真及结果分析
• 3.6.1 仿真条件
• 3.6.2 数值仿真及结果分析
• 3.7 磁强计与陀螺组合系统性能分析
• 3.7.1 滤波周期对系统性能影响
• 3.7.2 敏感器精度对系统性能影响
• 3.7.3 轨道参数对系统性能影响
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于信息融合的自主天文导航方法
• 4.1 引言
• 4.2 天体敏感器
• 4.2.1 星敏感器
• 4.2.2 地球敏感器
• 4.2.3 太阳敏感器
• 4.3 自主导航系统状态方程
• 4.4 星敏感器与地球敏感器相结合自主导航方法
• 4.4.1 直接敏感地平自主导航方法
• 4.4.2 间接敏感地平自主导航方法
• 4.4.3 直接与间接敏感地平组合导航方法
• 4.4.4 组合导航系统数值仿真及结果分析
• 4.5 太阳敏感器与磁强计相结合自主导航方法
• 4.5.1 模式一系统观测模型
• 4.5.2 模式二系统观测模型
• 4.5.3 太阳敏感器与磁强计组合导航方法
• 4.5.4 组合导航系统数值仿真及结果分析
• 4.6 多种天体敏感器相结合自主导航方法
• 4.6.1 模式一系统观测模型
• 4.6.2 模式二系统观测模型
• 4.6.3 多种天体敏感器组合导航方法
• 4.6.4 组合导航系统数值仿真及结果分析
• 4.7 自主导航系统性能分析
• 4.7.1 滤波周期对系统性能影响
• 4.7.2 敏感器精度对系统性能影响
• 4.8 本章小结
• 第5章 基于捷联惯性导航系统与天文导航系统组合导航方法
• 5.1 引言
• 5.2 惯性导航系统理论基础
• 5.2.1 SINS 基本方程
• 5.2.2 SINS 导航算法
• 5.3 捷联惯性导航系统误差数学模型
• 5.3.1 惯性导航元件误差分析
• 5.3.2 惯性导航元件误差数学模型
• 5.3.3 SINS 系统误差数学模型
• 5.3.4 SINS 误差传播特性
• 5.4 SINS/CNS 组合导航系统
• 5.4.1 SINS/CNS 组合导航方法
• 5.4.2 SINS/CNS 组合导航系统状态方程
• 5.4.3 SINS/CNS 组合导航系统观测方程
• 5.4.4 SINS/CNS 组合导航滤波算法
• 5.5 SINS/CNS 组合导航数值仿真及结果分析
• 5.5.1 仿真条件
• 5.5.2 数值仿真及结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 自主导航系统可观测性和可观测度分析
• 6.1 引言
• 6.2 系统可观测性
• 6.2.1 系统可观测性矩阵
• 6.2.2 系统可观测性分析
• 6.3 分段线性定常系统可观测性分析
• 6.3.1 分段线性定常系统
• 6.3.2 分段线性定常系统可观测性
• 6.4 基于奇异值分解的系统可观测性分析
• 6.4.1 奇异值分解理论基础
• 6.4.2 系统可观测性和可观测度分析
• 6.5 直接敏感地平天文导航系统可观测性分析
• 6.6 SINS/CNS 组合导航系统可观测性/可观测度分析
• 6.6.1 SINS/CNS 组合导航系统可观测度分析
• 6.6.2 SINS/CNS 组合导航系统降维后数学模型
• 6.6.3 SINS/CNS 组合导航系统降维后数值仿真及结果分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 自主导航系统状态方程Jacobi 矩阵系数表
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历