基于紫外敏感器的航天器自主导航

对基于紫外敏感器的卫星自主导航方法进行了研究 ,给出了自主轨道确定的滤波算法。对基于紫外敏感器的导航在地球中低轨道、大椭圆轨道和同步轨道上的应用进行了数学仿真验证。仿真结果表明 ,导航误差主要取决于地心方向的测量误差 ,而地心距测量误差的影响要小得多。在已知卫星惯性姿态的条件下 ,仅以地心方向为观测量 ,滤波器同样能够收敛 ,并能获得较高的定轨精度。     

考虑地球敏感器误差的自主导航方法研究

为减小自主导航过程中地球红外辐射误差及地敏安装误差的影响,以星敏感器和地球敏感器的测量作为导航信息,提出了一种捷联惯导/天文信息组合的自主导航方案。针对地球大气辐射不均匀和地球敏感器安装误差对确定地心矢量的不利影响,建立了地球红外辐射亮度与等效地平高度的关系。利用这一关系,给出了对地球敏感器测量修正的函数关系以及地球敏感器安装误差估计方法。以恒星矢量和地心矢量的星间角距作为量测,采用批处理最小二乘方法对弹道导弹的导航信息进行了估计。仿真结果表明:通过对辐射误差的补偿可大幅提高自主导航的精度,验证了补偿方法的可行性和导航算法的有效性。研究为工程应用中修正地球红外辐射误差提供了一种新思路。     

一种考虑地球扁率的卫星自主导航方法研究

研究用2个红外地球敏感器和1个星敏感器实现卫星自主导航的方法,地心矢量的测量精度是影响导航精度的重要原因之一,而地心矢量的测量又受到地球扁率的影响.研究地球扁率对地心矢量测量的影响,并提出一种零姿态扁率误差补偿方法,通过仿真验证了这种导航方法及扁率误差补偿算法的有效性.     

地月转移轨道自主导航算法研究

本文给出一种地月转移段的自主导航算法。以紫外敏感器输出的月心像素和月心距等信息为观测量,利用基于UD分解的扩展卡尔曼滤波算法确定探测器的轨道。仿真结果表明,基于紫外敏感器的地月转移段自主导航是可行的,引入单程多普勒测速的组合导航算法可以有效地提高导航精度与收敛速度。     

基于紫外敏感器的卫星自主导航方法研究

研究了卫星利用CCD紫外敏感器进行自主轨道确定的方法。敏感器通过地球紫外图像提供地心方向矢量及姿态误差信息进而确定卫星轨道。采用Unscented卡尔曼滤波算法,对紫外敏感器测量精度、姿态误差、部分轨道参数以及地球模型对导航精度的影响进行了仿真验证。仿真结果表明本方法具有较高的定轨精度,其导航误差主要取决于紫外敏感器测量精度和卫星姿态误差。     

基于导航星域和K矢量的快速星图识别算法

星图识别算法是星敏感器的关键技术,快速性和可靠性一直是对其评价的重要指标。提出了基于K矢量查找表和导航星域联合进行超快速星图识别的方法。首先根据星敏感器视场和所能敏感的星等建立全天球导航星表;再依据K矢量的原则对全天的导航星按照星对角距进行分类,建立星对角距所对应导航星的K矢量和K矢量查找表。利用星敏感器视场中的4颗星构成6组星对角距,将其中的5组星对角距所对应K矢量查找表域的星对组进行导航星表域（简称导航星域）的变换,根据另外一组星对角距所对应的K矢量查找表域的值对前面5组导航星域的值同时进行索引比较,直接找到了满足条件的4颗导航星,即完成全天的星图识别。最后,通过计算机仿真,实验室模拟和真实星空实验三个层次验证了此方法的可靠性和快速性。     

基于圆球与椭球的地球敏感器地心矢量算法分析

红外成像敏感器代表了新一代敏感器的发展方向。本文介绍了红外成像敏感器光学系统工作原理,对红外成像敏感器光学系统进行简化,利用小孔模型完成了对敏感器光学系统的建模,分别在地球球形模型和旋转椭球模型下进行了地心矢量推导和计算,获得了焦平面内地平圆盘的相关参数的具体表达式,用牛顿迭代法对地心距进行数值计算,比较分析了球形模型与椭球模型在求解地心距精度上的差别,分析了敏感器测量误差对地心矢量精度的影响,以及焦平面内地平圆盘各参数分别对地心距计算精度的影响程度。     

考虑月球扁率修正的月球卫星自主导航

针对月球扁率对月球紫外敏感器的月心方向矢量确定的不利影响,研究了月球紫外敏感器的测量原理和敏感到月平边缘时满足的几何约束,提出了一种考虑月球扁率的月心矢量确定方法。并进一步的结合地球敏感器和太阳敏感器的测量信息,研究了基于日地月方位信息的月球卫星自主轨道算法,并评估了月球方位确定算法对导航精度的影响。仿真结果表明,在太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器的精度分别为0.02°(3σ)、 0.05°(3σ) 和0.1°(3σ)的假设下,考虑月球扁率修正的月球卫星的自主导航位置精度能达到300m(3σ),导航速度误差能达到0.6m/s(3σ), 从而保证了环月卫星的导航精度。     

空间转移飞行器自主导航系统的信息融合方法

针对空间转移飞行器的工作环境和特点,分析了捷联惯性导航系统(SINS)、GPS和星敏感器(SS)的优缺点,提出了基于SINS/GPS/SS的空间转移飞行器自主导航系统的信息融合方法,该方法可取长补短,将GPS定位和星敏感器定姿精度高的优势辅助于捷联惯导系统,建立了组合导航滤波模型,利用联邦滤波组合导航中各子滤波器没有私有状态变量的特点,改进了联邦Kalman滤波器,可动态地选取并优化信息分配因子,便于实时处理。仿真结果表明,改进的联邦滤波算法能充分运用各导航系统的信息进行信息互补和信息融合,比传统的联邦滤波算法有更高的估计精度,可满足空间转移飞行器长时间的自主导航要求,是一种较理想的自主导航方案,具有重要的工程应用价值。     

一种星光折射卫星自主导航系统方案设计

利用星光折射间接敏感地平的卫星自主导航方案具有导航精度高、自主性强的特点,是一种极具应用潜力的自主导航方案。在基于星光折射的自主导航方案中,折射星的准确识别与折射角的精确获取是实现高精度导航的基础。提出了一种基于双星敏感器,利用连续高度星图模拟与匹配技术实现高精度折射星识别和折射角获取的方法,并在此基础上设计了一种新颖的基于星光折射的卫星自主导航系统方案。同时,为了验证该方案的可行性,设计了相关的折射星仿真程序,以轨道高度为686km的对地观测卫星为例进行计算机仿真验证,结果表明在星敏感器精度为3″时,该导航系统平均位置误差约为145m,最大位置误差不超过400m。     

考虑地球扁率修正的基于日地月方位信息的地球卫星自主导航

给出了基于地球球形假设的双圆锥地心方位确定算法,研究了考虑地球扁率的地心方位精确确定算法,给出了基于扁率修正的日地月自主导航算法。蒙特卡洛仿真表明,对于500km高度,对地定向三轴稳定的姿态运行模式的卫星,在地球敏感器噪声为0.1°(3σ),日、月敏感器噪声为0.05°(3σ)的情况下,导航位置精度能达到800m(3σ),速度精度能达到2.4m/s(3σ)。     

一种基于掩星测量的月球探测器自主天文导航方法

针对月球探测器自主导航定位问题,研究了一种基于掩星测量的自主天文导航方法。利用星敏感器测量恒星被月球遮挡或从遮挡状态中再现的时刻,并将时间观测量转化为沿恒星星光方向上的距月心最低高度信息,结合月球探测器的动力学模型,建立了基于卡尔曼滤波的掩星观测自主天文导航算法。为实现对掩星现象的及时观测,推导了掩星现象预测算法。数学仿真结果表明,月球探测器掩星自主天文导航原理可行,定位精度优于百米量级。     

基于磁强计与太阳敏感器的卫星自主定轨算法

针对低轨微小卫星,为了实现低成本自主定轨,并达到一定的定轨精度,提出了一种基于三轴磁强计和太阳敏感器数据,利用扩展Kalman滤波进行自主轨道确定的方法.分析了国际地磁参考场(IGRF)模型,建立了简化的太阳轨道模型,在此基础上,建立了以轨道位置和速度作为状态量,以地磁矢量的模值和地磁矢量与太阳矢量的夹角信息作为观测量的滤波算法.数字仿真结果表明,该算法是收敛的、有效的,同时通过比较表明引入太阳敏感器数据后,大大提高了定轨精度.     

基于UKF的航天器最小参数姿态矩阵估计方法

钊对航天器的惯性-星光姿态确定系统，选取基于矢量观测的最小参数姿态矩阵估计方法为定姿算法。但是由于系统模型是非线性的，针对系统模型的非线性，将UKF（Unscented Kalman Filter）与最小参数姿态矩阵估计方法结合，设计了一种针对MEMS陀螺和CMOS APS星敏感器的UKF姿念估计器。仿真结果表明：在敏感器精度较差的情况下，该UKF、姿态估计器能够满足大多数航天器对姿态确定精度的要求。此外，UKF和EKF（Extended Kalman Filter）的仿真对比结果表明：UKF滤波器的收敛速度高于EKF滤波器，状态估计的精度也优于EKF滤波器，且数值稳定性好。     

基于星光大气折射的卫星自主轨道确定

本文研究了利用星敏感器进行卫星轨道确定的自主导航方案。这种自主导航方案完全利用高精度的CCD星敏感器，以及大气对星光折射的数学模型及误差补偿方法，精确敏感地平，从而实现航天器的精确定位。以某太阳同步轨道卫星为背景，针对本文给出的星光折射光的卫星导航方案，结合推广的卡尔曼滤波算法，使用模拟数据进行了仿真研究，定位精度为38m。仿真结果说明，星光折射角的测量误差和大气折射模型的不确定性是影响导航精度的主要因素。     

一种基于信息融合的卫星自主天文导航新方法

直接敏感地平和利用星光折射间接敏感地平是两种基于天体敏感器的自主天文导航方法,其定位精度主要取决于地平的敏感精度。通常利用红外地平仪直接敏感地平的方法简单、可靠,但精度较低,而近年出现的利用星光折射间接敏感地平的方法精度高,但必须能观测到符合一定条件的折射星,根据上述两种方法的特点,提出了一种基于信息融合的直接敏感地平和利用星光折射间接敏感地平相结合的自主天文导航的新方法,计算机仿真结果表明该方法可以进一步提高系统的精度和可靠性。     

基于星敏感器和GPS伪距差分的相对状态确定

针对双星编队飞行中的相对导航问题,提出了一种基于星敏感器和GPS伪距差分的相对状态确定方法。首先给出了相对轨道和相对姿态动力学方程,选取相对姿态基准坐标系,然后分别建立了星敏感器和GPS伪距差分的观测方程,运用Unscented卡尔曼滤波方法(UKF)设计了双星编队相对状态确定的UKF滤波器。利用一个仿真实例说明了该方法的可行性和有效性。     

基于天象匹配的地心矢量确定方法

天象匹配是一种完全自主,且能提供姿态和位置信息的导航技术,其中,地心矢量的确定是天象匹配技术的关键。本文在地球模型为理想圆球的假设前提下,给出了两种基于天象匹配的地心矢量确定方法,一种是辅助单位球法,一种是椭圆模型直接法。最后,分别将两种地心矢量的确定方法应用于某高轨运载器中进行数学仿真,结果表明,两种方法均能满足系统的精度要求。     

构造折射星场方法用于星光折射导航仿真的研究

针对星光折射导航算法研究时星图模拟与匹配复杂的问题,提出一种构造折射星场的方法用于导航算法研究和评估。通过对星光折射几何关系的研究,得到一颗满足几何关系的折射星,再将它绕地心矢量方向旋转得到其他满足条件的折射星,构造折射高度均为25km的折射星场,解决了仿真研究时对星图的需求问题。建立带摄动的航天器运动方程,利用扩展卡尔曼滤波算法和构造出的星场进行导航仿真。仿真结果表明,观测到的折射星之间的角距接近于或小于星敏感器的精度时,无法进行星光折射导航;当观测到3颗星的持续时间大于等于0.8s时,该导航系统的三轴位置误差均小于139m,证实了构造折射星场方法的有效性。     

硬X射线调制望远镜卫星甚高精度星敏感器设计与在轨验证

针对硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星的高精度姿态测量需求,研制了一种基于定制CCD图像传感器的甚高精度星敏感器。文章介绍了甚高精度星敏感器的总体设计,包括结构设计、电子学设计、光学设计、软件和算法设计等方面,并进行了甚高精度星敏感器的地面观星试验和在轨验证,结果表明:甚高精度星敏感器惯性姿态测量精度可达到亚角秒级,相比市场上常规星敏感器的测量精度3″～10″有了进一步的提高。