探測器自主導(dǎo)航方法及在小天體探測中的應(yīng)用研究.pdf

1、二十一世紀(jì)，迎來了深空探測技術(shù)研究與計劃實施的新高潮，伴隨著火星探測、重返月球等相關(guān)深空探測任務(wù)的實施，小行星和彗星等小天體的探測已經(jīng)成為新世紀(jì)深空探測的熱點之一。由于深空探測的遠(yuǎn)距離導(dǎo)致地面導(dǎo)航有較大的通訊延遲，因此探測器自主導(dǎo)航技術(shù)成為深空探測領(lǐng)域備受重視的關(guān)鍵技術(shù)之一。探測器自主導(dǎo)航能減少操作的復(fù)雜性，降低任務(wù)的費用，簡化地面支持系統(tǒng)；同時還是探測器自主化的關(guān)鍵，可以大大增強(qiáng)探測器的自主生存能力，擴(kuò)展探測器的空間應(yīng)用潛力。

2、　　本學(xué)位論文結(jié)合民用航天預(yù)研課題——“遠(yuǎn)程空間非合作性飛行體的會合與附著問題研究”、“遠(yuǎn)程空間探測會合與附著技術(shù)及仿真演示系統(tǒng)”和“十五”863計劃項目——“深空探測自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”，深入研究了探測器自主導(dǎo)航的觀測問題、估計問題及在小天體探測應(yīng)用，并設(shè)計了一種深空探測自主導(dǎo)航系統(tǒng)方案和建立了自主導(dǎo)航實時半實物仿真系統(tǒng)。論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　首先，研究了探測器自主導(dǎo)航所涉及的基本問題。給出了參考坐標(biāo)系的定義、時間系

3、統(tǒng)的描述和星歷信息的計算，并針對小天體探測任務(wù)，建立了深空分離段、巡航段、繞飛和著陸小天體的軌道動力學(xué)模型，還給出了形成繞飛小天體軌道的初始條件。
　　其次，研究探測器自主導(dǎo)航系統(tǒng)最為重要的兩個問題：探測器軌道的觀測（軌道測量）和估計（軌道確定）問題。
　　針對軌道測量問題，研究了自主導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測模型與可觀性分析。建立了自主導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測模型，并提出了一種基于位置確定分析和可觀性秩條件的導(dǎo)航系統(tǒng)可觀性分析方法。針對觀測矩陣

4、的秩無法通過表達(dá)式直接確定的問題，給出了基于觀測矩陣奇異值分解的導(dǎo)航系統(tǒng)可觀性分析方法，并用來分析了幾種觀測模式對應(yīng)的導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀性和軌道參數(shù)可觀度。為了評價導(dǎo)航系統(tǒng)確定軌道的能力，定義了導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀度，并用來分析了導(dǎo)航系統(tǒng)可觀度與測量類型、觀測量個數(shù)和測量次數(shù)之間的關(guān)系。為了評價軌道參數(shù)的估計精度，給出了基于誤差方差陣的特征值和特征向量的軌道參數(shù)可觀度分析方法。
　　針對自主軌道確定中的數(shù)值計算、模型不確定和非線性問題，研究

5、了探測器自主軌道確定方法。針對星載計算機(jī)字長、處理速度和內(nèi)存限制，給出了基于UD分解的自主軌道確定方法。在UD分解算法的基礎(chǔ)上，針對無法得到精確的軌道動力學(xué)模型問題，給出了利用高斯-馬爾科夫過程的自主軌道確定方法。針對軌道確定中的非線性問題，給出了利用Unscented卡爾曼濾波的自主軌道確定方法。
　　然后，將觀測和估計問題的研究成果應(yīng)用到小天體探測的自主導(dǎo)航中，提出了一種基于多個導(dǎo)航目標(biāo)光學(xué)和星歷信息的自主導(dǎo)航方法，并應(yīng)用到小

6、天體探測的分離、巡航和繞飛段。1）分離段，提出了基于地月信息的深空自主光學(xué)導(dǎo)航算法。算法利用地月中心點像素、探測器的慣性姿態(tài)和地月星歷，通過基于UD分解的遞推加權(quán)最小二乘算法確定探測器的軌道。2）巡航段，給出了利用多顆小行星圖像的自主光學(xué)導(dǎo)航算法。分析了導(dǎo)航小行星的選擇與規(guī)劃過程和觀測到的小行星個數(shù)對軌道確定的影響。3）繞飛段，給出了基于邊緣特征點信息的繞飛小天體自主導(dǎo)航算法。算法利用阻尼最小二乘算法處理小天體邊緣特征點圖像和位置信息來

7、確定探測器的位置，并利用Unscented卡爾曼濾波處理得到的位置信息來估計軌道參數(shù)。針對探測器著陸小天體的特點，提出了一種自主光學(xué)導(dǎo)航與制導(dǎo)方案。導(dǎo)航方案利用導(dǎo)航相機(jī)和激光測距儀測得的三個特征點的圖像坐標(biāo)和探測器到特征點的距離來確定探測器的相對位置和姿態(tài)，并利用基于高斯-馬爾科夫過程的濾波算法實時確定探測器軌道。制導(dǎo)與控制方案規(guī)劃出滿足垂直軟著陸約束的理想下降高度與速度軌跡，設(shè)計了滑模變結(jié)構(gòu)控制器跟蹤理想軌跡，從而保證了控制器對模型誤

8、差和干擾有一定的魯棒性。所有算法的可行性和有效性都通過數(shù)學(xué)仿真得到了驗證。
　　最后，結(jié)合我國航天領(lǐng)域“十五”863計劃項目——“深空探測自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”，在上述研究成果基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種深空探測自主導(dǎo)航系統(tǒng)方案，分析了自主導(dǎo)航系統(tǒng)軟件的各部分功能、工作過程和工作模式。并建立了一種基于Matlab/Simulink/Stateflow和dSPACE的自主導(dǎo)航系統(tǒng)半實物仿真系統(tǒng)，通過數(shù)學(xué)和半實物仿真驗證了設(shè)計的自主導(dǎo)航系統(tǒng)方