深空自主導航方法研究及在小天體探測中的應(yīng)用.pdf

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

2、方程對狀態(tài)變量的偏導數(shù)，利用解析方法定性分析了自主導航系統(tǒng)的可觀測性；從自主導航系統(tǒng)的可觀測性矩陣、誤差方差陣和費歇爾信息陣三個方面研究了系統(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，針對深空探測巡航段，研究了基于小行星圖像信息的自主導航方法。以小行星圖像提取出的視線矢量為觀測模型，結(jié)合自主導航系統(tǒng)的最優(yōu)誤差方差陣和費歇爾信息陣，深入分析了不同視線矢量數(shù)目下自主導航系統(tǒng)的可觀測性；分析導航小行星

3、篩選準則，并利用費歇爾信息陣定義的自主導航系統(tǒng)的可觀測度給出導航小行星列表，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)估計算法。
　　接著，考慮到利用光學圖像信息的自主導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航方法。對于以太陽視線矢量為觀測量的自主導航系統(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，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航方法進行了仿真分析；進一步，將太陽視線矢量與光學圖像信息相結(jié)合，研究了基于視線信息的自主導航方法，并給出了一種基于可觀測度的信息融合自主導航算法；在分析矢量觀測姿態(tài)估計誤差的基礎(chǔ)上，研究了太陽視線矢量在深空巡航段姿態(tài)最優(yōu)估計中的應(yīng)用。
　　然后，研究了小天體探測任務(wù)接近交會段的自主導航方法。建立了接近段自主導航系統(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天體視線矢量為觀測量的導航系統(tǒng)的可觀測性；考慮到目標天體的星歷信息，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航方法；針對交會段，給出了簡化的相對運動軌道動力學模型，并針對相對速度大小已知、方向未知和大小方向均已知兩種情況分別給出了相對位置矢量確定算法，進而給出了一種基于視線矢量的相對導航方法。
　　最后，研究了小天體探測任務(wù)繞飛段和著陸段的自主導航方法。針對繞飛段，提出了一種基于小天體邊緣

6、特征點矢量觀測的自主導航方法，利用光學相機和高度計測量三個邊緣特征點相對探測器的位置矢量，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)坐標系下探測器的相對位置和姿態(tài)信息，并給出了一種利用高斯-馬爾科夫過程和Unscented卡爾曼濾波的導航算法；針對小天體著陸任務(wù)，給出了一種基于表面特征點矢量觀測的自主導航方法，利用光學相機和激光測距儀得到三個非共線特征點圖像信息和探測器至特征點的距離來確定探測器相對著陸點坐標系的位置矢量和姿態(tài)