深空探測小天體巡航段與交會段自主導(dǎo)航方法研究.pdf

1、隨著美國“深空1號”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活動在近年來受到各國航天機(jī)構(gòu)的重視。深空探測航行具有距離遠(yuǎn)、航行的時間長，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)，對完成探測深空任務(wù)的每個關(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研究中的重

2、要課題。
　　本論文針對深空探測航行中時間較長的巡航段和交會段，對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；對探測器的動力學(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；對于巡航段的自主導(dǎo)航主要討論了基于太陽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；交會段主要討論了基于太陽

3、視線矢量的導(dǎo)航算法及相對視線矢量的簡化算法；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方面：
　　1）研究了深空自主導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測性分析方法。針對深空環(huán)境的特點(diǎn)，利用幾何方法給出了不同觀測信息對應(yīng)的探測器位置面；通過取觀測方程對狀態(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)的可觀測性，

4、給出了狀態(tài)變量的可觀測度分析方法。
　　2）研究了基于太陽觀測的深空巡航段自主導(dǎo)航方法。對于以太陽視線矢量為觀測量的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，給出了一種利用太陽視線矢量測量的軌道確定方法；同時，對太陽視線矢量與徑向速度組合測量的基于太陽信息自主導(dǎo)航方法進(jìn)行了分析和仿真；對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器軌道并進(jìn)行了仿真分析。
　　3）針對深空探測巡航段，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器軌道并進(jìn)行了仿真分析。
　　4）研究了小天體探測任務(wù)接近交會段的自主導(dǎo)航方法。建立了接近段自主導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測方程；考慮到目標(biāo)天體的星歷信息，分別研究了以相對視線矢量和太陽視線矢量為觀測量的自主導(dǎo)航方法；針對交