深空探測(cè)小天體巡航段與交會(huì)段自主導(dǎo)航方法研究.pdf

1、隨著美國(guó)“深空1號(hào)”任務(wù)的成功，旨在探索宇宙奧秘及揭示生命起源的深空探測(cè)活動(dòng)在近年來受到各國(guó)航天機(jī)構(gòu)的重視。深空探測(cè)航行具有距離遠(yuǎn)、航行的時(shí)間長(zhǎng)，轉(zhuǎn)移軌道、保持軌道和轉(zhuǎn)換姿態(tài)等在軌運(yùn)行的精度要求高、操作次數(shù)多、難度大等特點(diǎn)，對(duì)完成探測(cè)深空任務(wù)的每個(gè)關(guān)鍵技術(shù)都提出了新的要求，其中尤為重要的是其導(dǎo)航定位技術(shù)。作為深空探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，自主導(dǎo)航技術(shù)的穩(wěn)定性和精確性直接影響到各項(xiàng)科學(xué)考察任務(wù)的實(shí)施，如何尋找有效的自主導(dǎo)航方法成為深空探測(cè)研究中的重

2、要課題。
　　本論文針對(duì)深空探測(cè)航行中時(shí)間較長(zhǎng)的巡航段和交會(huì)段，對(duì)基于視線矢量的軌道確定進(jìn)行了幾何和數(shù)值上的可觀測(cè)性分析，研究了利用視線矢量進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)的可行性；對(duì)探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行建模，并討論了慣性坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和像元像線之間的轉(zhuǎn)換公式；研究并實(shí)現(xiàn)了基于小行星軌道信息的軌道重建和仿真；對(duì)于巡航段的自主導(dǎo)航主要討論了基于太陽(yáng)視線矢量及其與徑向速度融合的濾波算法，以及基于小行星圖像信息的導(dǎo)航濾波算法；交會(huì)段主要討論了基于太陽(yáng)

3、視線矢量的導(dǎo)航算法及相對(duì)視線矢量的簡(jiǎn)化算法；使用UKF（無跡卡爾曼）和EKF（擴(kuò)展卡爾曼濾波）進(jìn)行濾波估計(jì)，并在EKF算法中加入了UD分解提高穩(wěn)定性和精確度，并對(duì)各種算法進(jìn)行了仿真。
　　本文的研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面：
　　1）研究了深空自主導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測(cè)性分析方法。針對(duì)深空環(huán)境的特點(diǎn)，利用幾何方法給出了不同觀測(cè)信息對(duì)應(yīng)的探測(cè)器位置面；通過取觀測(cè)方程對(duì)狀態(tài)變量的偏導(dǎo)數(shù)，利用解析方法定性分析了自主導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測(cè)性，

4、給出了狀態(tài)變量的可觀測(cè)度分析方法。
　　2）研究了基于太陽(yáng)觀測(cè)的深空巡航段自主導(dǎo)航方法。對(duì)于以太陽(yáng)視線矢量為觀測(cè)量的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，給出了一種利用太陽(yáng)視線矢量測(cè)量的軌道確定方法；同時(shí)，對(duì)太陽(yáng)視線矢量與徑向速度組合測(cè)量的基于太陽(yáng)信息自主導(dǎo)航方法進(jìn)行了分析和仿真；對(duì)基于小行星軌道信息的軌道仿真重建進(jìn)行了研究；研究基于UD分解的EKF濾波算法和UKF濾波算法來確定探測(cè)器軌道并進(jìn)行了仿真分析。
　　3）針對(duì)深空探測(cè)巡航段，研究了基于小

5、行星圖像信息的自主導(dǎo)航方法。對(duì)于慣性坐標(biāo)系，相機(jī)坐標(biāo)系和像元像線之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了討論；以小行星圖像提取出的視線矢量為觀測(cè)量，分析導(dǎo)航小行星篩選準(zhǔn)則，并利用導(dǎo)航小行星列表，通過基于 UD分解的EKF濾波算法來確定探測(cè)器軌道并進(jìn)行了仿真分析。
　　4）研究了小天體探測(cè)任務(wù)接近交會(huì)段的自主導(dǎo)航方法。建立了接近段自主導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程；考慮到目標(biāo)天體的星歷信息，分別研究了以相對(duì)視線矢量和太陽(yáng)視線矢量為觀測(cè)量的自主導(dǎo)航方法；針對(duì)交