探測(cè)器自主導(dǎo)航方法及在小天體探測(cè)中的應(yīng)用研究.pdf

1、二十一世紀(jì)，迎來(lái)了深空探測(cè)技術(shù)研究與計(jì)劃實(shí)施的新高潮，伴隨著火星探測(cè)、重返月球等相關(guān)深空探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，小行星和彗星等小天體的探測(cè)已經(jīng)成為新世紀(jì)深空探測(cè)的熱點(diǎn)之一。由于深空探測(cè)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(cè)器自主導(dǎo)航技術(shù)成為深空探測(cè)領(lǐng)域備受重視的關(guān)鍵技術(shù)之一。探測(cè)器自主導(dǎo)航能減少操作的復(fù)雜性，降低任務(wù)的費(fèi)用，簡(jiǎn)化地面支持系統(tǒng)；同時(shí)還是探測(cè)器自主化的關(guān)鍵，可以大大增強(qiáng)探測(cè)器的自主生存能力，擴(kuò)展探測(cè)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(huì)合與附著問(wèn)題研究”、“遠(yuǎn)程空間探測(cè)會(huì)合與附著技術(shù)及仿真演示系統(tǒng)”和“十五”863計(jì)劃項(xiàng)目——“深空探測(cè)自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”，深入研究了探測(cè)器自主導(dǎo)航的觀測(cè)問(wèn)題、估計(jì)問(wèn)題及在小天體探測(cè)應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了一種深空探測(cè)自主導(dǎo)航系統(tǒng)方案和建立了自主導(dǎo)航實(shí)時(shí)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　首先，研究了探測(cè)器自主導(dǎo)航所涉及的基本問(wèn)題。給出了參考坐標(biāo)系的定義、時(shí)間系

3、統(tǒng)的描述和星歷信息的計(jì)算，并針對(duì)小天體探測(cè)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(dòng)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(cè)器自主導(dǎo)航系統(tǒng)最為重要的兩個(gè)問(wèn)題：探測(cè)器軌道的觀測(cè)（軌道測(cè)量）和估計(jì)（軌道確定）問(wèn)題。
　　針對(duì)軌道測(cè)量問(wèn)題，研究了自主導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測(cè)模型與可觀性分析。建立了自主導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測(cè)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(duì)觀測(cè)矩陣

4、的秩無(wú)法通過(guò)表達(dá)式直接確定的問(wèn)題，給出了基于觀測(cè)矩陣奇異值分解的導(dǎo)航系統(tǒng)可觀性分析方法，并用來(lái)分析了幾種觀測(cè)模式對(duì)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(píng)價(jià)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(lái)分析了導(dǎo)航系統(tǒng)可觀度與測(cè)量類(lèi)型、觀測(cè)量個(gè)數(shù)和測(cè)量次數(shù)之間的關(guān)系。為了評(píng)價(jià)軌道參數(shù)的估計(jì)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(duì)自主軌道確定中的數(shù)值計(jì)算、模型不確定和非線性問(wèn)題，研究

5、了探測(cè)器自主軌道確定方法。針對(duì)星載計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)、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(duì)無(wú)法得到精確的軌道動(dòng)力學(xué)模型問(wèn)題，給出了利用高斯-馬爾科夫過(guò)程的自主軌道確定方法。針對(duì)軌道確定中的非線性問(wèn)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(cè)和估計(jì)問(wèn)題的研究成果應(yīng)用到小天體探測(cè)的自主導(dǎo)航中，提出了一種基于多個(gè)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(cè)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(diǎn)像素、探測(cè)器的慣性姿態(tài)和地月星歷，通過(guò)基于UD分解的遞推加權(quán)最小二乘算法確定探測(cè)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(guò)程和觀測(cè)到的小行星個(gè)數(shù)對(duì)軌道確定的影響。3）繞飛段，給出了基于邊緣特征點(diǎn)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(diǎn)圖像和位置信息來(lái)

7、確定探測(cè)器的位置，并利用Unscented卡爾曼濾波處理得到的位置信息來(lái)估計(jì)軌道參數(shù)。針對(duì)探測(cè)器著陸小天體的特點(diǎn)，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(cè)距儀測(cè)得的三個(gè)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和探測(cè)器到特征點(diǎn)的距離來(lái)確定探測(cè)器的相對(duì)位置和姿態(tài)，并利用基于高斯-馬爾科夫過(guò)程的濾波算法實(shí)時(shí)確定探測(cè)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(jì)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(duì)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(guò)數(shù)學(xué)仿真得到了驗(yàn)證。
　　最后，結(jié)合我國(guó)航天領(lǐng)域“十五”863計(jì)劃項(xiàng)目——“深空探測(cè)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(jì)了一種深空探測(cè)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(guò)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(shí)物仿真系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)學(xué)和半實(shí)物仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)方