深空自主導(dǎo)航方法研究及在小天體探測中的應(yīng)用.pdf

1、自主導(dǎo)航技術(shù)作為深空探測的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響著各項(xiàng)科學(xué)考察任務(wù)的成功實(shí)施，同時(shí)能夠簡化探測器的地面支持系統(tǒng)，擴(kuò)展探測器在空間的應(yīng)用潛力。本學(xué)位論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“深空探測自主導(dǎo)航理論與方法研究”，針對(duì)深空探測各飛行階段的特點(diǎn)，深入研究了相關(guān)的自主導(dǎo)航方法。論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　首先，研究了深空自主導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測性分析方法。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信息對(duì)應(yīng)的探測器位置面；通過求取觀測

2、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)的可觀測性；從自主導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測性矩陣、誤差方差陣和費(fèi)歇爾信息陣三個(gè)方面研究了系統(tǒng)的可觀測性條件和可觀測度定義，并給出了狀態(tài)變量的可觀測度分析方法。
　　其次，針對(duì)深空探測巡航段，研究了基于小行星圖像信息的自主導(dǎo)航方法。以小行星圖像提取出的視線矢量為觀測模型，結(jié)合自主導(dǎo)航系統(tǒng)的最優(yōu)誤差方差陣和費(fèi)歇爾信息陣，深入分析了不同視線矢量數(shù)目下自主導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測性；分析導(dǎo)航小行星

3、篩選準(zhǔn)則，并利用費(fèi)歇爾信息陣定義的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測度給出導(dǎo)航小行星列表，通過基于UD分解的遞推加權(quán)最小二乘算法來確定探測器軌道；考慮到利用小行星圖像背景恒星信息的姿態(tài)確定問題，給出了一種基于視線矢量的快速最優(yōu)姿態(tài)估計(jì)算法。
　　接著，考慮到利用光學(xué)圖像信息的自主導(dǎo)航方法在深空巡航段應(yīng)用中的限制條件，研究了基于太陽觀測的自主導(dǎo)航方法。對(duì)于以太陽視線矢量為觀測量的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，在系統(tǒng)可觀測度分析的基礎(chǔ)上，給出了一種利用三次太陽視線

4、矢量測量的初始軌道確定方法；同時(shí)，對(duì)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)行了仿真分析；進(jìn)一步，將太陽視線矢量與光學(xué)圖像信息相結(jié)合，研究了基于視線信息的自主導(dǎo)航方法，并給出了一種基于可觀測度的信息融合自主導(dǎo)航算法；在分析矢量觀測姿態(tài)估計(jì)誤差的基礎(chǔ)上，研究了太陽視線矢量在深空巡航段姿態(tài)最優(yōu)估計(jì)中的應(yīng)用。
　　然后，研究了小天體探測任務(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)方程和觀測方程，利用解析

5、方法定性分析了以探測器至目標(biāo)天體視線矢量為觀測量的導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測性；考慮到目標(biāo)天體的星歷信息，分別研究了以相對(duì)視線矢量和太陽視線矢量為觀測量的自主導(dǎo)航方法；針對(duì)交會(huì)段，給出了簡化的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道動(dòng)力學(xué)模型，并針對(duì)相對(duì)速度大小已知、方向未知和大小方向均已知兩種情況分別給出了相對(duì)位置矢量確定算法，進(jìn)而給出了一種基于視線矢量的相對(duì)導(dǎo)航方法。
　　最后，研究了小天體探測任務(wù)繞飛段和著陸段的自主導(dǎo)航方法。針對(duì)繞飛段，提出了一種基于小天體邊緣

6、特征點(diǎn)矢量觀測的自主導(dǎo)航方法，利用光學(xué)相機(jī)和高度計(jì)測量三個(gè)邊緣特征點(diǎn)相對(duì)探測器的位置矢量，結(jié)合事先建立的小天體形狀模型，從而直接得到小天體固聯(lián)坐標(biāo)系下探測器的相對(duì)位置和姿態(tài)信息，并給出了一種利用高斯-馬爾科夫過程和Unscented卡爾曼濾波的導(dǎo)航算法；針對(duì)小天體著陸任務(wù)，給出了一種基于表面特征點(diǎn)矢量觀測的自主導(dǎo)航方法，利用光學(xué)相機(jī)和激光測距儀得到三個(gè)非共線特征點(diǎn)圖像信息和探測器至特征點(diǎn)的距離來確定探測器相對(duì)著陸點(diǎn)坐標(biāo)系的位置矢量和姿態(tài)