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简述观测深空探测小天体巡航段和交会段自主导航策略

收藏本文 2024-04-12 点赞:6040 浏览:15674 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:随着美国“深空1号”任务的成功,旨在探讨宇宙奥秘及揭示生命起源的深空探测活动在近年来受到各国航天机构的重视。深空探测航行具有距离远、航行的时间长,转移轨道、保持轨道和转换姿态等在轨运转的精度要求高、操作次数多、难度大等特点,对完成探测深空任务的每个关键技术都提出了新的要求,其中尤为重要的是其导航定位技术。作为深空探测的关键技术,自主导航技术的稳定性和精确性直接影响到各项科学考察任务的实施,如何寻找有效的自主导航策略成为深空探测探讨中的重要课题。本论文针对深空探测航行中时间较长的巡航段和交会段,对基于视线矢量的轨道确定进行了几何和数值上的可观测性浅析,探讨了利用视线矢量进行状态估计的可行性;对探测器的动力学方程进行建模,并讨论了惯性坐标系、相机坐标系和像元像线之间的转换公式;探讨并实现了基于小行星轨道信息的轨道重建和仿真;对于巡航段的自主导航主要讨论了基于太阳视线矢量及其与径向速度融合的滤波算法,以及基于小行星图像信息的导航滤波算法;交会段主要讨论了基于太阳视线矢量的导航算法及相对视线矢量的简化算法;利用UKF(无迹卡尔曼)和EKF(扩展卡尔曼滤波)进行滤波估计,并在EKF算法中加入了UD分解提升稳定性和精确度,并对各种算法进行了仿真。本论文的探讨工作主要集中在以下几个方面:1)探讨了深空自主导航系统的可观测性浅析策略。针对深空环境的特点,利用几何策略给出了不同观测信息对应的探测器位置面;通过取观测方程对状态变量的偏导数,利用剖析策略定性浅析了自主导航系统的可观测性,给出了状态变量的可观测度浅析策略。2)探讨了基于太阳观测的深空巡航段自主导航策略。对于以太阳视线矢量为观测量的自主导航系统,给出了一种利用太阳视线矢量测量的轨道确定策略;同时,对太阳视线矢量与径向速度组合测量的基于太阳信息自主导航策略进行了浅析和仿真;对基于小行星轨道信息的轨道仿真重建进行了探讨;探讨基于UD分解的EKF滤波算法和UKF滤波算法来确定探测器轨道并进行了仿真浅析。3)针对深空探测巡航段,探讨了基于小行星图像信息的自主导航策略。对于惯性坐标系,相机坐标系和像元像线之间的转换进行了讨论;以小行星图像提取出的视线矢量为观测量,浅析导航小行星筛选准则,并利用导航小行星列表,通过基于UD分解的EKF滤波算法来确定探测器轨道并进行了仿真浅析。4)探讨了小天体探测任务接近交会段的自主导航策略。建立了接近段自主导航系统的状态方程和观测方程;考虑到目标天体的星历信息,分别探讨了以相对视线矢量和太阳视线矢量为观测量的自主导航策略;针对交会段,给出了简化的相对运动轨道动力学模型,,进而给出了一种基于相对视线矢量的导航策略。通过基于UD分解的EKF滤波算法和UKF滤波算法来确定探测器轨道并进行了仿真浅析。关键词:自主导航论文可观测性浅析论文图像信息论文视线矢量论文UD分解论文

    摘要3-5

    ABSTRACT5-11

    第一章 绪论11-21

    1.1 深空探测自主导航探讨背景11-14

    1.1.1 深空探测导航探讨的作用11-12

    1.1.2 深空探测巡航与交会阶段12-13

    1.1.3 深空探测自主导航技术13-14

    1.2 国内外深空自主导航技术探讨综述14-18

    1.3 自主导航滤波算法的探讨近况18-19

    1.4 本论文主要工作19-21

    第二章 可观测性浅析21-29

    2.1 引言21

    2.2 可观性浅析21-28

    2.2.1 几何直接定轨浅析22-24

    2.2.2 数值可观性浅析24-28

    2.3 本章小结28-29

    第三章 深空探测基础论述29-44

    3.1 行星轨道重建29-32

    3.1.1 建立动力学方程迭代计算29-30

    3.1.2 根据轨道参数直接计算轨道30-32

    3.2 坐标系转换32-35

    3.2.1 坐标系与像元像线32-33

    3.2.2 坐标系转换33-35

    3.3 卡尔曼滤波35-43

    3.3.1 基本卡尔曼滤波器36-38

    3.3.2 扩展卡尔曼滤波器38-40

    3.3.3 无迹卡尔曼滤波器40-43

    3.4 本章小结43-44

    第四章 基于太阳视线矢量的巡航段的自主导航策略44-62

    4.1引言44

    4.2 巡航段轨道动力学方程44-45

    4.3 基于太阳信息的自主轨道确定45-48

    4.3.1 基于太阳视线矢量的量测45-46

    4.3.2 太阳视线矢量观测模型46

    4.3.3 数学仿真46-48

    4.4 加入径向速度的基于太阳视线矢量自主轨道确定48-52

    4.4.1 径向速度的观测模型48-49

    4.4.2 数学仿真49-52

    4.5 基于像元像线的自主轨道确定52-56

    4.5.1 像元像线的观测模型52

    4.5.2 数学仿真52-56

    4.6 扩展卡尔曼滤波的 UD 分解56-58

    4.7 UD 分解的数学仿真58-61

    4.7.1 基于太阳视线矢量为观测量的数学仿真与浅析58-59

    4.7.2 基于像元像线的自主轨道确定的数学仿真与浅析59-61

    4.8 本章小结61-62

    第五章 基于小行星图像的巡航段自主导航策略62-68

    5.1 引言62

    5.2 巡航段轨道动力学模型62-63

    5.3 基于小行星图像信息的自主轨道确定策略63-65

    5.3.1 观测方程63-64

    5.3.2 小行星筛选准则64-65

    5.3.3 自主轨道确定算法65

    5.4 仿真结果65-67

    5.5 本章小结67-68

    第六章 交会段自主导航策略探讨68-97

    6.1 引言68

    6.2 交会段探测器与小天体的状态方程以及轨道仿真68-73

    6.2.1 状态方程68-70

    6.2.2 轨道生成的数学仿真浅析70-73

    6.3 基于黄道惯性系视线矢量的自主轨道确定73-82

    6.3.1 星历信息未知时观测方程73-74

    6.3.2 星历信息已知时观测方程74-75

    6.3.3 扩展卡尔曼导航算法75-77

    6.3.4 数学仿真77-82

    6.4 基于像元像线的自主轨道确定82-88

    6.4.1 观测方程83-85

    6.4.2 扩展卡尔曼导航算法85

    6.4.3 数学仿真85-88

    6.5 基于简化模型的像元像线自主轨道确定88-94

    6.5.1 简化的轨道动力学模型88-90

    6.5.2 观测方程90-91

    6.5.3 扩展卡尔曼导航算法91

    6.5.4 数学仿真91-94

    6.6 基于 UD 分解的像元像线自主导航策略94-96

    6.6.1 滤波 UD 分解94-95

    6.6.2 数学仿真95-96

    6.7 本章小结96-97

    第七章 总结与展望97-99

    7.1 本论文工作总结97-98

    7.2 探讨展望98-99

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