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文檔簡介
1、傳統(tǒng)對衛(wèi)星的導(dǎo)航與軌道控制模式是采用地面遙測遙控的方式,利用地面站在可見弧段內(nèi)對衛(wèi)星跟蹤并進行數(shù)據(jù)處理,獲取衛(wèi)星的軌道姿態(tài)等信息,同時根據(jù)任務(wù)要求,將遙控指令上傳至衛(wèi)星,實現(xiàn)相應(yīng)的控制操作。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和衛(wèi)星功能的增強,這種模式已不能滿足控制管理的復(fù)雜程度不斷增大的導(dǎo)航和軌控系統(tǒng)的性能要求,特別是對于地面測控范圍之外的某些飛行任務(wù)。這使得衛(wèi)星的導(dǎo)航逐步由非自主、半自主向自主發(fā)展,同時軌道控制也由完全的地面測控向自主控制方向發(fā)展
2、。作為衛(wèi)星自主運行能力的兩個重要方面,衛(wèi)星的自主導(dǎo)航與軌道控制在近階段取得了不少研究成果,但仍有許多問題亟待解決并對現(xiàn)有的導(dǎo)航和軌控方法提出了新的要求。對中高軌道衛(wèi)星而言,導(dǎo)航精度的提高在很大程度上取決于濾波方法,我們在追求濾波方法改進的同時,也要兼顧系統(tǒng)的計算量等實際工程因素;天文導(dǎo)航盡管相對成熟,但其受限于導(dǎo)航敏感器,精度有限;作為軌道控制的一個重要方面,中高軌道衛(wèi)星的位置保持控制常常出現(xiàn)多個軌道要素需要同時控制的情況,也就是需要解
3、決多個軌道要素協(xié)調(diào)控制的問題。本文針對上述問題,研究了中高軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航與軌道控制技術(shù),在此基礎(chǔ)上,對單個衛(wèi)星的導(dǎo)航與軌道控制問題進行擴展,研究了基于測距與定向觀測的星座自主導(dǎo)航與構(gòu)型保持控制技術(shù)。本文主要內(nèi)容包括:
1)針對導(dǎo)航敏感器輸出異常的情況,提出一種將強跟蹤濾波(Strong Tracking Filter,STF)和UKF(UnscentedKalman Filter,UKF)相結(jié)合的濾波方法,并進一步采用部分狀
4、態(tài)信息作為間接觀測量,使濾波器的設(shè)計得到簡化。最后將該方法應(yīng)用于衛(wèi)星自主導(dǎo)航系統(tǒng)中,仿真結(jié)果表明,該方法在敏感器輸出出現(xiàn)突變或緩變異常時,能夠迅速檢測出異常,在保證較高估計精度的同時,提高了系統(tǒng)的可靠性;針對系統(tǒng)在有限推力下進行軌道機動的情況,提出一種基于ISRUKF(Iterated Square Root UnscentedKalman Filter,ISRUKF)和EKF(ExtendedKalman Filter,EKF)模式切
5、換的導(dǎo)航方法,該方法利用設(shè)計的模式切換函數(shù)和誤差閾值,自適應(yīng)地在兩種濾波方法之間切換。最后,通過開展相關(guān)的地面仿真試驗,驗證了所提方法的有效性。
2)考慮到目前適用于中高軌衛(wèi)星自主定軌的天文導(dǎo)航手段受限于導(dǎo)航敏感器,其精度有限,提出采用多星座信息確定中高軌衛(wèi)星軌道的方法。針對各星座系統(tǒng)存在時間同步差異的問題,將各個星座系統(tǒng)的時鐘同步誤差作為導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)變量進行實時估計,實現(xiàn)軟同步;針對高軌衛(wèi)星接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號微弱、量測噪
6、聲的不確定性大的問題,對濾波器中的量測噪聲方差陣進行實時在線調(diào)整。最后,通過數(shù)學(xué)仿真驗證了所提方法的優(yōu)越性。
3)針對中高軌衛(wèi)星自主位置保持中多個軌道要素需要同時控制的情況,提出一種基于自主控制體系結(jié)構(gòu)的位置保持方法,制定各軌道要素控制的優(yōu)先級,并分析了不同控制精度指標(biāo)下的控制次數(shù)和燃料消耗。最后,通過開展相關(guān)的地面仿真試驗,驗證了所提方法的有效性;針對傳統(tǒng)基于絕對軌道動力學(xué)的中高軌衛(wèi)星位置保持控制時,由于間斷控制引起的控制精
7、度提升空間有限的問題,提出一種基于相對軌道動力學(xué)的位置保持方法,將中高軌的標(biāo)稱位置看作控制目標(biāo)點,并采用LQG(Linear-Quadratic-Gaussian,LQG)方法實現(xiàn)相對控制。最后,通過數(shù)學(xué)仿真驗證了所提方法的優(yōu)越性。
4)考慮到星座在整體性、時效性方面的優(yōu)勢,在單星導(dǎo)航與軌道控制的基礎(chǔ)上,研究星座的自主導(dǎo)航與構(gòu)型保持控制問題。采用星間測距+星間測向的組合導(dǎo)航方法,以軌道根數(shù)為狀態(tài)量,引入測向信息消除星座整體旋轉(zhuǎn)
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