基于Unscented卡尔曼滤波器的卫星自主天文导航研究

针对星光折射间接敏感地平的卫星自主天文导航方法，建立了带摄动项的状态方程和以星光视高度为观测量的量测方程。由于该状态方程和量测方程都是严重非线性的，利用推广的卡尔曼滤波器进行导航时精度较低。Unscented卡尔曼滤波是一种针对非线性系统的估计新方法。本文提出将Unscented卡尔曼滤波用于自主天文导航。计算机仿真结果显示Unscented卡尔曼滤波的估计精度远优于推广的卡尔曼滤波。     

星光折射航天器自主定轨方案比较

当星光透射大气发生折射时 ,用星光折射角精确地反映星光在大气中离地球表面的高度 ,并建立高度、航天器与地球的几何关系。通过对折射角进行观测 ,间接测得地平 ,从而改善了用地平仪直接测地平所造成的航天器自主导航精度低的不足。本文提出了几种利用星光折射的航天器自主定轨方案 ,并作了细致的仿真实验 ,对直接和间接两种测量地平方法以及几种星光折射自主定轨方案进行了分析比较。     

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。     

星光折射导航星的改进三角识别捕获

高精度星光折射间接敏感地平的自主导航方法,目前被国内外尤为关注。本文通过对星光折射导航观测对象———导航星捕获的研究,采用了改进的三角匹配算法并结合恒星星表,确定出导航观测星星光方向,同时依据对飞行器在轨观测星的几何关系推导,利用Unscented卡尔曼滤波算法确定航天器的在轨位置和速度。该方法能比较真实地模拟飞行器实际在轨的导航情况。仿真表明,真实星表导航精度大于人造星场;通过比较导航系统捕获20,40,60,80颗折射星的4种情况,可知捕获到的导航星的数量越多,导航精度也随之提高。     

一种航天器星光折射连续导航方法

针对星光折射航天器自主导航应用中观测缺失导航折射星造成误差上升甚至导航发散的情况，提出一种适用于航天器星光折射导航空白段的新方法。阐述了星光折射导航机理，给出了导航星观测窗口，进而设计基于神经网络的导航算法，该方法充分利用已有信息，有效预测并修正航天器状态信息，使星光空白段前后导航误差变化平稳，发挥星光折射间接敏感地平精度高的特点，保证了航天器高精度定位，且不需要添加硬件设备，算法简洁、实用。最后，通过计算机仿真校验了该导航方法的有效性。     

利用UKF的航天器自主导航方法研究

UKF(Unscented卡尔曼滤波)是一种新型的直接针对非线性系统的滤波方法。用星敏感器和地平仪测量星光与地平之间的“星光仰角”为观测量的天文自主导航方法,其状态方程和量测方程都是非线性的,使用以往的EKF(推广卡尔曼滤波)进行导航滤波,需将上述两方程分别线性化,故精度较低。本文提出在航天器天文自主导航系统中采用UKF方法,并从仿真计算结果中看到,导航精度有显著提高。     

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。     

基于精确星光大气折射观测模型的轨道摄动研究

基于星光折射间接敏感地平自主导航方法,改进了现有的大气密度模型和固定高度(25km)的观测模型,建立了自适应连续高度(20km～50km)的星光折射观测模型,并在此观测模型的基础上深入分析研究了影响导航精度的各种轨道摄动力,包括地球形状各阶摄动力、不同高度的大气阻力摄动力、太阳光辐射压力等.提出一种精简的大气模式--静止变标高球面大气,解决了由于高层大气密度的求解复杂,使大气阻力摄动模型不精确的问题,由此取得了较好的导航定位精度.利用UKF和EKF两种不同非线性算法,对考虑各种摄动力后的导航定位精度进行全面的计算机仿真实验,并就仿真结果进行了误差分析,同时研究了各种有关参数对导航精度的影响.     

星光模拟的半物理仿真技术

航天器利用星光定位导航技术是航天器自主导航的一种新的方法。它不依赖于无线电和GPS等导航手段，在航天器进行深空探测和绕地飞行中都有着非常重要的应用，因此，国内外都在对天文导航技术进行深入的研究。但是航天器利用天文定位导航技术的实验研究不仅难度很大而且成本昂贵，因此国内外均采用地面半物理仿真进行实验研究。利用航天器天文导航半物理仿真模拟实验系统，可以深入研究航天器的关键定位导航技术，准确模拟量测信息及其误差特性，从而精确验证天文导航方法的有效性和准确性并进行系统精度分析。我们在自主天文导航技术研究的基础上，建立了一套天文导航半物理仿真实验系统平台。半物理仿真实验系统平台从结构上可分为两大部分：一是星光模拟器，通过液晶光阀和光学系统模拟和显示星敏感器接收到的星光；二是星敏感器模拟，用摄像机智和台式计算机模拟星敏感器，完成星图采集、图像处理和导航解算等。     

一种深空天文测角导航中的星历误差抑制方法

以火星探测器为例，提出一种以星光角距/时间差分星光角距作为量测量的星历误差抑制方法，分析了火卫一星历误差对导航精度的影响，建立了火卫一时间差分星光角距的量测模型。通过将火星星光角距和火卫一星光角距相结合，发挥了两种量测的优势，实现了对火卫一星历误差的抑制。仿真结果表明，基于星光角距/时间差分星光角距天文导航方法的位置误差是传统基于星光角距天文导航方法的64%，是基于时间差分星光角距导航方法的58%。此外，还分析了导航恒星个数、火星敏感器精度、火卫一敏感器精度、星历误差大小和滤波周期对导航性能的影响。     

基于UPF的航天器自主天文导航方法

利用红外地球敏感器和星敏感器直接敏感地平的天文导航方法是一种成熟、可靠的自主导航方法。这种导航方法的状态方程和量测方程都是严重非线性的,且在建立航天器轨道动力学模型时,通常将二阶带谐摄动项建模,而将其他摄动项等效为高斯白噪声,由于这些摄动项都有其精确的模型,通常不服从高斯分布。本文提出将UPF(Unscented Particle Filter)滤波方法应用于航天器自主天文导航,该方法用UKF(Unscented Kalman Filter)得到粒子滤波的重要性采样密度函数,从而克服了标准的粒子滤波没有考虑最新量测信息和UKF只能应用于噪声为高斯分布的不足。仿真结果表明,该方法可以取得比标准的粒子滤波和UKF更快的滤波收敛性和更高的滤波精度。     

一种基于UPF的月球车自主天文导航方法

介绍了月球车自主天文导航原理和传统的迭代解析高度差方法，提出了一种基于月球车运动模型和UPF（Unscented粒子滤波）的自主天文导航新方法。该方法仅需利用由星敏感器和惯性测量单元测量得到的恒星的天体高度，结合月球车的运动模型，通过UPF滤波，即可获得高精度的月球车实时位置信息。计算机仿真结果表明该方法与传统方法相比，定位精度有了大幅提高，同时对几个关键的精度影响因素的仿真分析显示该方法可以有效的减弱量测噪声，星历误差等对系统性能的影响，使系统具有更高的适应能力。     

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.     

Autonomous navigation of formation flying spacecrafts in deep space exploration and communication by hybrid navigation utilizing neural network filter

Autonomous navigation of spacecrafts is a difficult task, however, which is a must in future deep space exploration. With multiple spacecrafts flying in space, this aim can be achieved by formation flying spacecraft (FFS) utilizing inverse time difference of arrival (ITDOA) and inverse difference Doppler (IDD) methods, which can locate the position of earth-station from one-way uplink signals in the FFS coordinate, and by way of conversion of coordinates, the position of FFS is achieved in earth-centered earth-fixed (ECEF) coordinate. The ability of neural network (NN) filter in navigation to extract position of spacecrafts from random measuring noise of signal arrival time and Doppler shift is studied with different radius of FFS and surveying parameters. The NN filter used by spacecraft group is new way of unidirectional autonomous navigation and is of high precision of hybrid navigation.     

应用灰度特征的行星陨石坑自主检测方法与着陆导航研究

针对陨石坑阴影不明显的行星着陆导航图像,提出了基于图像灰度值特征的陨石坑自主检测方法,通过兴趣区快速确定陨石坑边缘分布,解决了一般陨石坑检测方法对图像太阳高度角的依赖问题。利用检测出的陨石坑视线信息,采用非线性预测滤波方法估计着陆器着陆阶段的位置和姿态;鉴于视觉着陆导航对照了场景状况的高度依赖性,提出了一种利用分形理论和相邻点分级方法的天体随机地景建模方法。最后验证了所提方法的有效性。     

On autonomous tracking of a minor celestial body

There is suggested an algorithm of the autonomous tracking of a minor celestial body (comet, asteroid or satellite) by the photo-TV-camera of the spacecraft during its flyby in the vicinity of the celestial body, investigated by the data of images obtained by this camera. This algorithm allows prediction of the celestial body angular position in order to point the onboard camera to the body. The field of applicability for the suggested algorithm taking into account various errors is being investigated. The problems of the optimization of the program of the autonomous tracking in order to decrease the prediction errors or to increase the prediction time interval are considered. The results obtained are illustrated by the example of the autonomous tracking of Halley's comet nucleus.     

一种基于信息融合的深空巡航段自主导航算法

针对自主光学导航在深空巡航段应用中的问题,提出了一种基于信息融合的自主导航算法。由太阳敏感器测量获得太阳相对探测器的视线矢量,由分光计测量获得探测器相对太阳的径向速度,构建自主导航系统的两种信息观测方程;由基于状态估计误差协方差阵奇异值动态确定信息分配因子,用信息融合技术和扩展卡尔曼滤波算法实时估计探测器的位置与速度。对深度撞击任务的实际飞行数据的数值仿真结果表明:自主导航算法的轨道确定精度满足深空巡航段要求。