深空自主导航系统的可观性分析

研究了深空自主导航系统的可观性分析。建立了自主导航系统的观测模型，并提出了一种基于位置确定分析和可观性秩条件的导航系统可观性分析方法；该方法克服了直接利用多个导航目标的视线方向、视线角、夹角和图像信息等非线性观测量进行导航系统可观性分析的困难。针对观测矩阵的秩无法通过表达式直接确定的问题。给出了基于观测矩阵奇异值分解的导航系统可观性分析方法，并用来分析了几种观测模式对应的导航系统的可观性和轨道参数可观度。可以为在不同轨道段组合不同的敏感器提高轨道的估计精度提供参考。     

深空导航系统状态描述形式的选取问题研究

深空导航系统的状态描述采用轨道六根数还是位置速度是一个重要问题。首先根据两种描述下的非线性特性和空间结构特性,研究了导航算法中涉及的状态方程、观测方程和导航系统适用的非线性Kalman滤波器。然后引入非线性强度理论,分析了两种描述形式对导航系统可观测性的影响,解释了描述形式不同时可观测性不一致现象。最后以深空巡航段导航为例对上述理论进行了仿真验证,结果显示基于适当的滤波器,采用轨道根数描述状态时的导航系统具有较高的导航精度和计算效率。因此深空导航特别是巡航段导航应优先使用轨道根数描述状态,但是在判断系统可观测性时要首先判断非线性强度问题。     

深空天文测角测速组合自主导航可观测性分析方法

导航系统的性能与其可观测性密切相关,而可观测矩阵是分析导航系统可观测性能的重要依据。本文基于分段线性定常系统(PWCS)方法给出导航系统的可观测矩阵,进而针对测角测速组合导航系统开展可观测性分析。通过分析测角测速组合导航系统可观测矩阵的秩和条件数,得到导航系统的可观测性和整体可观测度,并研究导航系统的可观测阶数对导航系统的影响;同时基于奇异值分解(SVD)方法给出测角测速组合导航系统各个状态分量的可观测性分析方法。最后,以小行星探测工程任务巡航段为背景,系统地给出了不同量测模型的导航系统可观测性结果,分析了不同可观测性分析方法对导航系统可观测性刻画的适用性。本文所提出的可观测性分析方法,对导航系统可观测性分析具有很好的参考性,可为组合导航系统量测模型的优选提供参考,具有良好的理论和应用价值。     

基于条件数的能观性度量方法及在自主导航系统中的应用

由于状态方程和观测方程的非线性,给自主导航系统的能观性分析带来了挑战。首先分析了 条件数在线性系统能观度定义中的合理性;然后,利用李导数求解出非线性系统 的能观性矩阵,并基于条件数给出了一种非线性系统的能观性度量方法;将其应用于地月转 移轨道,分别研究了地心视线矢量和月心视线矢量两种观测模型下自主导航系统的能观度; 进而,利用系统的能观度动态确定信息分配因子,结合扩展卡尔曼滤波建立信息融合自主导 航算法。仿真结果表明,本文提出的能观性度量方法能够反映不同观测模型下系统能观性的 变化情况,基于能观度的信息融合自主导航算法的轨道参数估计结果完全满足地月转移轨道 段的精度要求。
     

GPS/SINS组合导航系统状态的可观测度分析方法

线性时变系统状态的可观测度是检验所设计的Kalman滤波器的收敛精度和速度的重要指标。传统的可观测度分析方法存在着各种缺陷，难于满足实际工程应用需求。首先，本文论述了将线性时变系统状态转化为分段式定常系统(PWCS)的可观测性分析方法，并在对PWCS可观测性矩阵进行奇异值分解的基础上，定义系统状态的可观测度。然后，详细证明GPS／SINS组合导航系统满足PWCS分析定理要求，可以用条带化可观测性矩阵(SOM)代替总的可观测性矩阵(TOM)分析系统状态的可观测度。为了分析全弹道GPS／SINS系统状态的可观测度，进一步提出改进的可观测度分析方法。最后，从松耦合GPS／SINS系统仿真结果可以看到，可观测度指标能够很好地预见系统状态的Kalman滤波误差大小。可观测度高则滤波误差小，可观测度低则滤波误差大。这初步表明改进的可观测度分析方法是合理的和可行的。     

SINS/CNS组合导航系统的降阶模型研究

在利用卡尔曼滤波器对数据进行处理时,其计算时间是由模型的状态矢量维数n决定的,每一步迭代的计算量与n3成正比。状态维数的减少会使计算时间大大缩短。本文首先介绍了SINS/CNS组合导航系统的动态模型,研究了基于奇异值分解的状态可观测度分析方法并提出一种改进的方法,在求状态变量的可观测度时,抛开了观测量,只利用可观测矩阵进行分析,然后应用该理论对SINS/CNS组合导航系统进行状态可观测度的分析,略去不可观测的状态分量,提出一种降阶的系统模型。仿真结果证明,降阶模型可以提供满意的导航精度。     

基于光学/脉冲星的木星探测转移段自主组合导航

提出一种基于光学/X脉冲星的木星探测器转移段自主组合导航方案。该方案在探测器转移段动力学模型的基础上,以地球、火星、木星、木星卫星以及X射线脉冲星作为观测目标,从待观测目标的几何分布、视星等以及导航精度几个方面,分析光学自主导航待观测目标的可观测条件和可观测度,优化选取最优的光学观测目标;结合X射线脉冲星观测信息,构建光学/X射线脉冲星组合导航方案;结合无迹卡尔曼滤波算法,应用于木星探测转移段,实现探测器位置和速度估计。从数学仿真结果来看,该组合导航方案状态估计精度显著优于单独使用光学导航或者X脉冲星导航系统。     

基于地月信息的奔月探测器自主光学导航

基于地月信息提出了一种奔月转移轨道的自主光学导航算法。该算法首先利用导航相机得到的地球和月球边缘图像与地、月几何形状模型，运用扩展源的空间获取算法导出地心和月心对应的像素，然后利用地心和月心像素、探测器的惯性姿态和该观测历元的地、月星历信息，通过基于UD分解的递推加权最小二乘算法确定了探测器轨道。还引入导航系统的可观度定义来分析了导航系统的可观性，数学仿真结果表明导航的位置误差小于30km，速度误差小于0．3m／s，证明该自主光学导航算法是有效的。     

深空探测器小天体交会段自主导航方法研究

针对深空探测任务中,与小行星交会段的自主导航问题,首先建立探测器在交会段的轨道动力学模型,并提出了2种导航观测方案:1)利用目标天体图像作为观测量;2)利用目标天体视线方向和目标天体夹角作为观测量.然后结合动力学模型和观测模型推导了2种导航方法的滤波算法公式.最后通过蒙特卡罗数值仿真分析方法,估算了2种导航方法的误差值,结果表明误差值在可接受精度范围内,验证了2种自主导航方法是可行的.     

近地轨道航天器编队仅测距相对导航方法

针对地球中高轨道卫星导航信号不可用或不可信赖情况下的航天器编队自主相对导航问题,提出一种基于星载数据链仅测距的航天器相对导航新方法。首先,在地球非球形J2引力摄动条件下建立适用于椭圆轨道的线性化相对运动动力学模型,并建立基于星载数据链的飞行时间测距模型。然后,通过理论推导与数值仿真结合的方式对建立的仅测距相对导航系统进行可观测性分析,得出至少存在三种镜像模糊轨道的结论。接着,建立可用于提升系统可观测性的几何拓扑一致性约束模型,设计基于一致性无味卡尔曼滤波的分布式估计策略,并研究对应的相对导航误差传播规律。最后,通过标准蒙特卡洛打靶对所提算法进行仿真校验。仿真结果表明,相比于Tschauner Hempel(TH)动力学模型,利用建立的J2摄动相对运动动力学模型设计的仅测距相对导航系统能达到更高的相对导航精度,一致性无味卡尔曼滤波算法也能够有效提高编队导航的可观测性。     

基于奇异值分解的航天器自主导航系统能观度分析

目前基于系统能观度的分析方法均存在一定的不足,为了克服这些问题,提出一种基于奇异值分解(SVD)的系统能观度分析新方法,该方法能同时对系统状态整体和各个状态分量进行能观性和能观度分析,且应用较为方便.同时,利用该方法对基于星敏感器和地球敏感器的航天器自主导航系统进行能观度分析,通过仿真计算分析给出影响该系统能观度的主要因素,所得结论可以对航天器实际工程中自主导航系统的敏感器配置及导航滤波器设计提供参考.     

X射线脉冲星导航中钟差的可观测性问题

标准X射线脉冲星导航(XNAV)能够求解航天器的位置信息,但航天器钟差会导致XNAV的结果产生误差.鉴于脉冲星周期的稳定性,在利用XNAV进行轨道估计中,将钟差作为状态变量进行估计的授时方案已被相关学者提出.一种针对卫星轨道修正专门设计的可观测性分析工具在文中给出,利用其能够有效地判断各个状态的可观测性情况.利用该方法分析将钟差作为状态变量的导航方案,其结果表明仅需2颗脉冲星就可以对全部轨道六根数,以及卫星钟差进行观测;仿真结果验证了可观测性分析结论,双脉冲星导航时系统可以达到60m的定位精度和60ns的授时精度.对比仿真同时揭示了该方案能够有效地抑制钟差对导航精度的影响,将由于钟差引起的定位误差减小20倍以上.理论分析与仿真表明,将钟差作为状态变量的导航方案是一种能够有效地估计钟差,并抑制钟差影响、提升系统估计精度的导航方案.     

行星着陆动力下降段相对视觉导航方法

针对行星着陆动力下降段视觉导航自然路标匮乏的问题，提出了一种相对视觉导航方法。该方法利用相机和雷达的测量信息构建相对导航坐标系并求解随机视觉特征点在该坐标系下的位置矢量，利用求解得到的特征点为导航参考，设计相对导航系统，估计着陆器在相对导航坐标系下的位置、速度及姿态信息。同时，构建可观性矩阵，解耦分析位置和姿态的可观性。通过可观性分析可知利用相对导航坐标系下的一个随机特征点即可实现着陆器全状态可观。最后通过仿真分析着陆器状态误差，验证了可观测度理论分析及导航性能。该相对导航方法无需行星地形数据库，且可以实现着陆器全状态的高精度估计，满足行星精确软着陆的需求。     

双目视觉导航信息的可观测性分析

本文针对飞行器相对导航中双目视觉测量系统的可观测性问题进行了研究。推导了系统估计的Fisher信息矩阵,提出利用Fisher信息矩阵的秩分析来判断双目视觉导航信息观测性的方法,研究了特征点个数及分布与Fisher信息矩阵秩及相应系统可观测性的关系,得出至少2个特征点能满足双目视觉测量系统完全可观测的结论。结合测量方程的不同,分析比较了在相同特征点个数情况下单目视觉与双目视觉测量系统可观测性的优劣,最后,通过单幅图片位置和姿态确定数值仿真,验证了基于Fisher信息矩阵的双目视觉系统可观测性分析结论的正确性。     

基于伪距、伪距率的GPS/SINS容错组合导航系统

为了提高组合导航系统的容错性和可靠性 ,本文采用基于伪距、伪距率的GPS/SINS组合导航系统 ,详细推导了该组合导航系统的模型 ,并通过仿真验证了当有效定位卫星数目小于四颗时 ,该组合方法仍可以利用GPS信息修正SINS的导航误差 ,满足一定的导航精度需求。并通过可观性分析 ,说明了不同有效卫星数目对导航精度的影响     

基于单目序列图像的非合作目标相对导航（英文）

Along with the increase of the number of failed satellites, plus space debris, year by year, it will take considerable manpower and resources if we rely just on ground surveillance and early warning. An alternative effective way would be to use autonomous long-range non-cooperative target relative navigation to solve this problem. For longrange non-cooperative targets, the stereo cameras or lidars that are commonly used would not be applicable. This paper studies a relative navigation method for long-range relative motion estimation of non-cooperative targets using only a monocular camera. Firstly, the paper provides the nonlinear relative orbit dynamics equations and then derives the discrete recursive form of the dynamics equations. An EKF filter is then designed to implement the relative navigation estimation. After that, the relative "locally weakly observability" theory for nonlinear systems is used to analyze the observability of monocular sequence images. The analysis results show that by relying only on monocular sequence images it has the possibility of deducing the relative navigation for long-range non-cooperative targets. Finally, numerical simulations show that the method given in this paper can achieve a complete estimation of the relative motion of longrange non-cooperative targets without conducting orbital maneuvers.