双视线测量相对导航方法误差分析与编队设计

空间非合作目标的相对导航是在轨维护和近距离监视任务中的关键技术,目前的研究表明仅有视线测量条件下中距离相对导航沿距离方向的观测度较差,而基于双视线测量的相对导航方法可以有效解决该问题。为此,研究了两个追踪航天器所组成的编队,在双视线测量条件下进行自主相对导航的方法。首先,详细地介绍了双视线测量相对导航方案的构成以及具体的导航算法;其次,根据两个追踪航天器与目标航天器的几何构型,推导双视线测量方法中的误差传递规律,并分析其中的影响因素;然后,对两个追踪航天器的编队构型进行设计,并分析编队构型对该方法导航性能的影响;最后,通过数值仿真对上述相关的结论进行验证。     

基于对偶数的航天器多特征融合相对导航算法

针对基于视觉的航天器相对导航问题,利用对偶数推导并给出了航天器相对耦合动力学方程,该方程一体化描述了追踪航天器相对于目标航天器的姿态运动和轨道运动,且考虑了由非质心点引起的相对姿态与相对轨道之间的耦合影响。在对偶代数的框架内,统一描述了目标航天器上的特征点和特征线,并基于特征点、线在像平面的投影建立了多特征融合的单目视觉测量模型。最后通过对系统状态方程以及测量方程的线性化,应用迭代扩展卡尔曼滤波(IEKF)算法对非质心点的相对运动状态进行了估计。仿真结果表明,本文的算法能够对航天器非质心点的相对运动状态进行较高精度的估计。     

在轨服务的相对运动耦合动力学建模与分析

研究在轨服务航天器逼近与捕获目标航天器的相对轨道姿态耦合动力学建模问题。考虑航天器姿态与对接位置的运动耦合,建立目标运行在任意轨道下的相对轨道姿态耦合动力学模型,并对模型中的运动耦合进行深入分析。设计一种非线性的输出反馈姿态控制律,将建立耦合动力学模型与CW方程进行仿真比较,验证轨道与姿态的运动耦合对两航天器对接点之间相对位置的运动影响。     

北斗卫星导航( 区域) 系统星座对中国载人航天器的服务能力仿真分析

载人航天器可以利用北斗卫星导航系统实现自主导航定位和相对测量以支持轨道确定和交会对接任务。为了评估当前星座条件下北斗卫星导航(区域)系统对中国载人航天器的服务能力,建立了当前北斗卫星导航(区域)系统的星座仿真场景。利用载人航天器轨道参数,对其轨道处北斗区域星座的覆盖特性和服务能力进行了仿真,分析了可以用于载人航天器绝对定位和相对定位的时间长度、可见卫星情况、位置精度因子等特性。分析结果表明,在载人航天轨道的一些持续时间段内,航天器可以利用北斗(区域)系统完成绝对和相对定位功能。     

空间多机器人协同的多视线仅测角相对导航

研究了空间多机器人对非合作目标的多视线协同仅测角相对导航问题。为利用多视线信息融合提升仅测角相对导航性能,给出了一种可观测度优化的多视线仅测角相对导航方法。首先基于二阶CW方程构建了中心机器人与目标相对动力学模型和状态方程,并构建了仅包含多伴飞机器人视线角的观测方程,结合扩展卡尔曼滤波算法,形成多视线仅测角相对导航系统;然后分析推导得到可观度最优的视线间夹角条件,提出了兼顾可观测度和长期自然维持的多伴飞机器人观测构型优化方法;最后,数学仿真结果表明,提出的多视线仅测角相对导航系统、可观测度最优的视线夹角条件和观测构型优化方法,可以显著提高距离状态可观测度和估计性能,且具有较好的工程可用性。     

近地航天器量子导航定位卡尔曼滤波算法研究

针对近地航天器量子导航定位系统,为了进一步提高其定位精度,利用滤波技术将QPS测量值结合航天器的运动模型进行状态量的滤波估计.给出了基于基线干涉原理的量子定位系统观测方程和以二体运动为主的航天器轨道运动模型,在此基础上详细推导了扩展卡尔曼滤波处理过程,并针对该模型进行了仿真.仿真结果表明,基于EKF的量子导航定位精度有明显提高.     

GPS动态相对导航用于航天器交会对接的研究及其OTF解算方法

根据ＧＰＳ动态相对导航在航天器空间交会对接中应用的优势,以及航天器空间对接各阶段的不同精度要求设计了具体的动态相对导航方案;并且认为在相对导航过程中,可以进行测相整周模糊度的ＯＴＦ解算,以提高交会对接测量的精度,并通过仿真计算,对结论进行了验证。     

着陆小行星的视线测量自主光学相对导航算法及其可观性分析

 以软着陆小行星为工程应用背景,提出了基于视线(LOS)测量的自主光学相对导航算法,并对导航算法的可观性进行了比较深入的分析研究。首先,基于透视投影模型的共线方程,给出了导航测量方程和测量敏感矩阵;接着,通过多个视线矢量的测量,应用高斯最小二乘微分修正(GLSDC)和龙贝格-马尔塔(LM)算法对探测器的位置和姿态参数进行了估计。然后,通过对误差方差阵逆矩阵秩的分析,比较详尽地分析了不同数量视线观测条件下导航算法的可观度和可观性。最后,通过数学仿真对所提出的自主导航算法的可行性进行了验证。     

大型航天器无控飞行再入时间短期预报的轨道摄动方法研究

针对寿命末期大型航天器临近再入前轨道衰降受到跨流域多尺度非平衡环境下气动力/力矩影响显著的问题,基于体坐标系下的气动力和力矩分量,建立了航天器轨道-姿态动力学摄动模型;结合航天器再入跨流域空气动力学统一计算理论与数值模拟手段,提出了大型航天器无控飞行轨道衰降过程气动特性一体化快速算法。基于地心惯性坐标系气动融合轨道动力学方程数值积分方法对航天器的轨道姿态摄动模型进行了外推计算,结合无迹卡尔曼滤波方法对外测轨道星历观测数据初值误差和模型误差进行了滤波。针对250～120 km高度范围的大型航天器短期轨道衰降变化进行仿真预测,对比了外测轨道星历数据,结果表明:本文提出的经卡尔曼滤波误差分析的轨道摄动模型方法对寿命末期大型航天器短期轨道预报具有较强的模拟能力与有效性,有助于推动近地轨道空间目标气动融合轨道数值预报领域发展。     

轨道机动模型在低轨航天器定轨中的应用研究

现代航天任务中,各类航天器由于工作的需要必须进行适时的变轨或进行其它轨道机动.由于这些轨道机动的动作导致前后数据不能有效的拟合,降低了定轨精度.为此,建立了适用于各类航天器轨道机动的动力学模型,通过运用测轨数据使用数值积分方法求解各类模型参数,着重探讨近地航天器的轨道机动的影响,并主要使用GPS导航定位数据分析其精度,实现了轨控参数的求解标定,同时提高了短弧段的定轨能力和预报精度.     

基于鲁棒扩展卡尔曼滤波的双目视觉测量相对导航技术研究

针对非合作目标相对导航问题,为提高相对导航的精度和可靠性,采用双目视觉测量方法实现追踪器与目标器之间相对状态的测量,并基于鲁棒扩展卡尔曼滤波方法,提出了一种鲁棒相对导航滤波方法。仿真结果表明,该方法对相对导航系统模型中的不确定性具有良好的鲁棒性,且滤波精度较高。     

GPS差分相对定位应用于航天器自主交会对接的研究

提出了一种适用于飞船交会对接的GPS差分相对定位导航方案。在远程导引段,采用坐标差分相对定位;在自动寻的段,采用双差载波相位平滑伪距技术;在接近和逼近段,采用双差载波相位浮点解相对定位,求得模糊度后,可采用双差载波相位整数解获得很高的定位精度。仿真试验证明,该方案切实可行。     

捷联激光制导的视线信号提取方法

提出了一种弹目视线角信号的提取方法,该方法采用UKF解耦,针对捷联激光制导炸弹需要攻击移动目标却不能测量弹目相对距离和速度的情况,建立了弹目相对运动模型,解耦过程不需要相对距离信息,能够更方便地应用于工程实践.经仿真验证,此方法可以较好地估计出弹目视线角以及角速率信息,能够满足捷联激光制导炸弹工程应用的需要.     

A novel biased proportional navigation guidance law for close approach phase

A novel biased proportional navigation guidance (BPNG) law is proposed for the close approach phase, which aims to make the spacecraft rendezvous with the target in specific relative range and direction. Firstly, in order to describe the special guidance requirements, the concept of zero effort miss vector is proposed and the dangerous area where there exists collision risk for safety consideration is defined. Secondly, the BPNG, which decouples the range control and direc-tion control, is designed in the line-of-sight (LOS) rotation coordinate system. The theoretical anal-ysis proves that BPNG meets guidance requirements quite well. Thirdly, for the consideration of fuel consumption, the optimal biased proportional navigation guidance (OBPNG) law is derived by solving the Schwartz inequality. Finally, simulation results show that BPNG is effective for the close approach with the ability of evading the dangerous area and OBPNG consumes less fuel compared with BPNG.     

Nonlinear dynamic modeling and simulation of an atmospheric re-entry spacecraft

This paper discusses the dynamic modeling and simulation techniques for the X-38 re-entry spacecraft, a prototype crew return vehicle (CRV) for the international space station (ISS). A general simulator for atmospheric re-entry dynamics (GESARED) was developed in the Matlab/Simulink environment. The 6 degree-of-freedom re-entry flight dynamics were modeled to achieve minimum restrictions and singularities. Quaternion representation of vehicle attitude was used to avoid computational singularities in angular kinematic model equations. The Earth's atmosphere, Earth's shape and gravitational potential were modeled appropriately. The vehicle's aerodynamic characteristics, navigation sensors, and the actuator dynamics were also modeled and implemented. Several numerical simulation tests and analyses were conducted to evaluate the performance of the model equations and the simulator.     

Optical guidance for autonomous landing of spacecraft

An autonomous rendezvous guidance scheme for spacecraft to descend to small celestial bodies by using optical information is presented. First, a new guidance, navigation, and control (GNC) method based on fixation-point (FP) inheritance is proposed. A spacecraft can safely descend toward the target point on the celestial body by tracking and autonomously renewing the FPs on the surface. Next, we deal with the method of extracting the FPs. A spatial band-pass filter (BPF) is applied to pictures taken to enhance features having comparable size with the tracking window. Local variance of the filtered image is used as a criterion of the extraction. Then, the relative information between the spacecraft and the celestial body (position, velocity, attitude, etc.) is calculated from the image coordinates and the range measurements of the FPs from the spacecraft. To suppress observation noise and improve navigation accuracy, an application of the extended Kalman filter is also presented. Finally, simulations are conducted to verify the guidance precision and the fuel consumption of the proposed guidance scheme