基于自適應(yīng)UKF及位速測(cè)量輔助的大橢圓軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航.pdf

1、 國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)： V11 學(xué)校代碼： 10213 國(guó)際圖書分類號(hào)：R6 密級(jí)：公開(kāi) 工學(xué)博士學(xué)位論文 工學(xué)博士學(xué)位論文 基于自適應(yīng) UKF 及位速測(cè)量輔助的大橢圓軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航 博 士 研 究 生：李璟璟 導(dǎo) 師：張迎春教授 申 請(qǐng) 學(xué) 位：工學(xué)博士 學(xué) 科：控制理論與控制工程 所

2、 在 單 位：控制科學(xué)與工程系 答 辯 日 期：2012 年 6 月 授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 摘 要 - I - 摘 要 衛(wèi)星在大橢圓軌道上運(yùn)行，不僅其軌道動(dòng)力學(xué)變化劇烈，而且要經(jīng)歷各種嚴(yán)酷的空間環(huán)境。因此實(shí)現(xiàn)大橢圓軌道衛(wèi)星自主天文導(dǎo)航面臨兩個(gè)新的問(wèn)題：1)由空間環(huán)境帶來(lái)的不確定測(cè)量噪聲導(dǎo)致導(dǎo)航精度降低；2)由大橢圓軌道動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)引起的近地點(diǎn)導(dǎo)航濾波精度波動(dòng)。本文以實(shí)現(xiàn)大橢圓軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航為目的，針對(duì)以上兩大

3、問(wèn)題，進(jìn)行了如下幾個(gè)方面的研究： 研究了強(qiáng)跟蹤 UKF 濾波算法。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn) UKF 算法對(duì)不確定測(cè)量噪聲適應(yīng)能力差的問(wèn)題， 將強(qiáng)跟蹤濾波的思想推廣到 UKF 濾波過(guò)程中， 根據(jù)正交性原理，通過(guò)引入自適應(yīng)因子， 推導(dǎo)得到了強(qiáng)跟蹤 UKF 算法。 該方法不僅繼承了強(qiáng)跟蹤濾波對(duì)不確定測(cè)量噪聲的自適應(yīng)能力，而且不必計(jì)算和存儲(chǔ)雅可比矩陣，可達(dá)到三階的濾波精度。 針對(duì) UKF 算法由于自適應(yīng)計(jì)算及 Unscented 變換導(dǎo)致計(jì)算量增加的問(wèn)題，研究

4、進(jìn)一步減小計(jì)算量，提高計(jì)算效率的濾波方法。當(dāng)濾波過(guò)程中僅存在短時(shí)間不確定測(cè)量噪聲時(shí)，濾波器只需在檢測(cè)到不確定測(cè)量噪聲存在時(shí)啟動(dòng)自適應(yīng)運(yùn)算?；谶@一思想，研究了切換自適應(yīng) UKF 算法。通過(guò)大數(shù)定理及其推論，得到了切換自適應(yīng) UKF 算法的模式切換準(zhǔn)則， 在濾波中動(dòng)態(tài)判斷濾波器的工作模式，并進(jìn)行相應(yīng)的切換。Unscented 變換通過(guò) Sigma 采樣點(diǎn)逼近非線性函數(shù)的概率密度函數(shù)，將狀態(tài)擴(kuò)展為 2n+1 維，增加了濾波的計(jì)算量。為了解決

5、這一問(wèn)題，進(jìn)而研究了超球面變換采樣方法，利用超球面變換代替 Unscented 變換，將采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)縮減為 n+2 個(gè)，從而使計(jì)算量得到了極大的降低。與切換自適應(yīng) UKF 相比，基于超球面變換的自適應(yīng) UKF 算法能夠絕對(duì)減少計(jì)算量。 研究了切換模糊自適應(yīng) UKF 濾波算法。通過(guò)在自適應(yīng)算法中引入模糊推理，進(jìn)一步調(diào)節(jié)自適應(yīng)因子，提高導(dǎo)航濾波精度。為了使模糊自適應(yīng)濾波器能夠適應(yīng)大范圍不確定測(cè)量噪聲的變化，對(duì)濾波器模糊推理系統(tǒng)的論域進(jìn)行分析

6、和劃分，分別建立了正常情況和較大測(cè)量噪聲下的模糊隸屬度函數(shù)。在正常情況下的調(diào)節(jié)，主要是為了使濾波器能夠較快的收斂；當(dāng)測(cè)量噪聲較大時(shí)，主要完成對(duì)不確定測(cè)量噪聲的自適應(yīng)。 為了彌補(bǔ)模糊推理方法存在的學(xué)習(xí)能力較差，推理過(guò)程模糊性大等缺點(diǎn)，引入了 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理方法，系統(tǒng)采用串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模糊調(diào)節(jié)自適應(yīng)因子進(jìn)行后期處理。 研究了適合于大橢圓軌道衛(wèi)星的自主導(dǎo)航方法。針對(duì)天文自主導(dǎo)航在近地點(diǎn)導(dǎo)航估計(jì)誤差波動(dòng)問(wèn)題，引入位速測(cè)量輔助修正