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.     

基于脉冲星联合定位模型的TOA预测模型误差修正算法

为提高脉冲星导航定位精度，修正脉冲信号到达时间的预测误差，文章提出一种基于多航天器联合观测数据的脉冲到达时间预测模型误差修正算法。该算法利用航天器和基准站之间的联合观测数据，通过相关运算测量脉冲到达时间差；通过数学推导得出航天器与基准站之间的位置关系与脉冲到达时间预测模型的关系；利用扩展卡尔曼滤波算法融合多颗不同辐射方向的脉冲星的脉冲到达时间差，实时在线修正预测模型参数误差。仿真实验结果表明，当观测时间超过100秒时，该方法可抑制脉冲信号到达时间预测模型的漂移误差。该方法可用于基于脉冲星的深空探测器自主导航系统，提高导航定位精度和脉冲信号到达时间预测精度。     

深空探测器单基线干涉测量相对定位方法

针对中国深空探测中航天器高精度定位需求,提出一种基于相位参考成图技术的探测器单基线相对定位方法。该方法利用中国深空站长弧段跟踪优势,形成良好的UV覆盖,满足在中国仅有两个深空站的条件下获得高精度测量结果的要求,解决单基线高精度干涉测量的难题。利用中国深空测控网喀什至佳木斯基线开展了嫦娥三号月球探测器天线间的相对定位试验,确定了嫦娥三号着陆器全向天线相对定向天线的位置,天平面角分辨率优于0.5 mas(毫角秒),充分验证了该方法的有效性。该研究对以后嫦娥五号任务及火星探测中无线电干涉测量相对定位具有一定参考价值。     

基于太阳观测的深空巡航段自主导航方法研究

针对基于小行星观测的自主光学导航在深空巡航段应用中存在的问题,提出了两种基 于太阳观测的自主导航方法。以太阳视线矢量为基本观测量,分别利用分光计和星载导航相 机测量探测器相对于太阳的径向速度和导航天体相对于探测器的视线矢量,进而构建了基于 太阳信息和视线信息的两种观测方案。对两种观测方案的原理和观测方程进行了详细分析和 推导,并采用扩展卡尔曼滤波算法实时估计探测器轨道。最后,以深度撞击任务的实际飞行 数据对本文提出的两种自主导航方法进行仿真验证。结果表明,两种自主导航方法的轨道估 计精度满足深空巡航段的要求。
     

高轨非合作目标多视线分布式相对导航方法

针对仅采用单视线难于实现高轨非合作目标的远距离自主相对导航问题,提出基于双空间机器人的多视线分布式相对导航方法。首先,建立基于多视线测量的相对导航模型,并给出空间机器人与非合作目标的相对动力学模型;然后,为降低集中式滤波相对导航的维数,设计分布式滤波的相对导航方法,采用扩展卡尔曼滤波算法实现相对运动估计;最后,建立数学仿真模型,对多视线分布式滤波相对导航算法及可观测性进行仿真校验,仿真结果表明该方法是稳定有效的。     

一种高精度区域对流层延迟模型及验证

对流层延迟模型精度是影响我国深空探测干涉测量系统实时处理精度的因素之一。不同于传统的对流层天顶延迟和映射函数单独建模,建立一种同时考虑对流层天顶延迟和映射函数的混合模型。将测站不同仰角的对流层延迟观测数据作为输入,给出模型参数确定算法。通过将EGNOS模型和文中模型的预报值与深空站实测值进行比对,验证模型精度。计算结果表明,利用EGNOS模型,10°仰角时模型预报值与实测值差异高达2.6m,而采用文中模型,仰角大于等于10°时,预报值与实测值差异不超过0.25m,精度提高约1个数量级。文中建立的混合模型对我国深空探测干涉测量系统中数据的实时处理具有较高的应用价值。     

气球型深空探测器技术研究进展

气球型深空探测器能够大大提高深空探测的机动能力,它不仅可以获取区域范围内的高分辨率观测数据,而且还可实现不同高度大气的原位测量。文章针对气球型深空探测器按技术特征进行了分类,并简述了各类气球探测器的原理和特点,重点总结了各类气球探测器在金星、火星和土卫六上应用的研究现状。针对我国未来的气球型深空探测器技术发展,提出首先以火星热气球为发展方向,与地球临近空间浮空器技术的发展彼此借鉴,促进关键技术领域的技术突破等建议,可为我国未来深空探测提供参考。     

利用小行星测量信息的深空探测器自主导航算法研究

提出一种利用小行星图像信息的深空探测转移轨道段自主光学导航算法.该算法首先利用导航敏感器获取含有恒星背景的多颗小行星的图像;然后通过图像处理,提取出小行星和恒星中心点对应的像素;最后利用小行星和恒星中心点的像素、探测器的惯性姿态和观测时刻的小行星星历等信息,通过引入Unscented变换的批处理最小二乘滤波估计探测器的位置和速度.以"深空一号"探测器飞行轨道为例进行数学仿真,结果表明该算法导航精度优于"深空一号"应用的批处理最小二乘滤波.     

基于无迹卡尔曼滤波的空间目标双星定位方法

利用双星对空间目标的观测角进行目标定位,可以很好地避免地基探测系统探测弧段短的缺点。研究了基于动力学滤波的双星定位方法,介绍了无迹卡尔曼滤波的基本原理,建立了考虑地球非球形J2项引力摄动的空间目标动力学方程和基于无偏量测转换的双星观测方程。通过仿真比较两种滤波方法在相同条件下对目标的定位误差,可知无迹卡尔曼滤波方法在收敛速度和定位精度上均优于扩展卡尔曼滤波方法。     

深空探测器三程多普勒建模与算法实现

针对高精度深空探测多普勒应用,提出了一种间接使用中心天体、航天器的速度与加速度进行多普勒建模的方法。避免了计算机字长截断误差、星历表插值误差对建模精度的影响。使用该算法对环火星探测器进行了连续1周的多普勒计算,通过常规的距离差分方法检验了算法的正确性,对计算的1小时多普勒数据进行10阶多项式拟合,拟合后数据残差小于0.002 mm/s.分析结果表明该算法计算多普勒结果正确,计算精度较常规距离差分算法在精度上得到1个量级的提升。