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。     

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。     

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。     

利用星敏感器的卫星自主导航

本课题对利用星敏感器进行卫生自主导航问题作了初步的研究，研究表明，当已知地球大气的星光折射模型，则可利用星光折射的测量或掩星时刻的测量来实现卫生的自主导航，在导航过程中不需要精确的姿态确定，研究报告提出了相应的基本导航算法，讨论了误差的影响，通过数学仿真模拟计算，给出了数值结果，提示了这类导航的若干特点。     

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STK的导航星模拟及天文定位选星算法研究

导航星优选是研究天文定位导航的前提。本文结合导航恒星选星对天文定位的影响,研究提出了基于STK软件的导航星模拟方法,并针对空天飞行器对天文观测时的条件约束,结合天文导航定位对导航星的要求,构建了适合不同飞行航迹的导航星库。基于所设计的导航星库,以空天飞行器为应用对象,结合其在轨段飞行轨迹参数,基于STK软件进行了天文导航定位仿真研究。在所设计的飞行器飞行航迹参数及可见星信息条件下,针对空天飞行器长航迹飞行运动特点,设计了3种不同的天文定位观测选星方案,并研究了不同选星方案下的天文导航定位性能。最后通过仿真验证表明所提出的导航星模拟和选星方法能有效满足空天飞行器对天文导航定位的要求。     

适用于地面应用系统的导航星数据库的建立

简要介绍了所采用的恒星运动标准模型、历元转换及误差传播基本原理。给出了一种导航星数据库的构建方法,该方法以Hipparcos星表为中心,以星敏感器光学系统的观测极限为星等阈值,联合多个星表,通过精密历元转换,引入位置精度阈值以确保卫星姿态确定角秒量级的精度;引入辅助导航星以提高星图识别率和识别速度。蒙特-卡罗仿真结果表明利用该导航星数据库在有伪星存在的情况下星图识别率96.7%以上,同时识别视场内5颗星的识别速度在0.3秒以下,加入189颗辅助导航星后,在导航星总数提高至6261颗时,星图识别速度却提高了6%以上。
     

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。     

GEO卫星GNSS导航在轨长期性能验证与分析

为对地球静止轨道(GEO)全球卫星导航系统(GNSS)自主导航性能进行验证,用通信技术试验卫星二号实际在轨工作数据,在我国首次对GNSS导航的长期在轨性能进行实测和试验,并对导航精度进行评估。介绍了GEO上GNSS导航原理和通信技术试验卫星二号的GNSS导航系统。设计了转移段(GNSS天线未展开)和定点后GNSS天线展开前后的导航性能试验。给出了转移段GPS/GLONASS的可用星数、GNSS的位速解算结果,以及定点后GNSS天线展开前后GNSS捕获的星数与可用星数、位置精度因子和位速精度,并说明了性能试验的有效性。结果表明:在转移段,在GNSS接收机在部分弧段可捕获到导航星4颗以上,位速解算结果正确,且位速一致性好,GNSS导航系统可用;定点后GEO上观测到的GNSS星数量满足自主导航使用要求,获得的位速精度符合仿真预期,GNSS天线展开后位置精度因子和位速精度明显优于展开前。连续48h数据获得的实测位置精度优于30m,速度精度优于0.05m/s。本次在轨试验证明了GNSS用于GEO轨道卫星是可行的,为我国高轨卫星自主导航和在轨自主管理提供了重要支撑。     

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。     

基于天文角度观测的机载惯性/天文组合滤波算法研究

针对采用天文/惯性位置组合时对导航选星有特殊要求,提出了基于天文角度观测信息的机载惯性/天文组合滤波方案及算法.对基于天文角度观测的INS/CNS组合导航系统的原理进行了充分阐述,分析并建立了基于单星或多星观测条件下的组合导航系统线性化量测方程,并针对角度观测时高度通道不可观的特点,增加了气压高度输出为系统的观测量,并在此基础上设计了组合滤波器算法.最后进行了组合导航系统仿真,并通过协方差分析的方法对比分析了单星和双星观测条件下的滤波性能.仿真结果表明,即使是在单星观测条件下,组合导航系统也能获得较好的定位精度;若观测星数增多,则可以大大提高系统性能,表明该组合导航系统设计方案是成功可行的.     

月面着陆器INS/CNS深组合导航方法

针对月面着陆器下降过程中的姿态快速调整需求，导航系统必须具备实时快速解算能力，而传统天文导航算法星图识别过程计算量大，占用了一定的硬件资源和能耗，限制了月面着陆器动态响应能力的提高。针对这一问题提出一种基于图像灰度误差的惯性/天文深度组合导航方法。该方法利用惯导辅助星敏感器构建灰度误差函数，根据灰度误差梯度优化姿态失准角，无需星图识别过程依旧可以完成对姿态的估计。仿真结果表明，在导航星数目不少于3颗时，该方法可在与惯性/天文松、紧组合姿态精度一致的前提下，将计算时间缩短60%，姿态精度维持在10″(非光轴)、50″(光轴)以内；在导航星数目小于3颗时，依旧可以进行导航解算，姿态精度维持在50″(非光轴)、100″(光轴)以内。将其应用于月面着陆器等实时性需求较高的背景中，有助于降低算法的计算量，节约硬件资源和系统功耗，为未来月面着陆器导航系统的设计提供新思路和理论参考。     

一种新的全天自主星图识别算法

在星图识别领域三角形算法得到了广泛的应用，但是在星对角距很小的情况下，其识别率严重降低。字符匹配算法可以解决这个问题，但是它无法识别由于相机在拍摄瞬问的平移和旋转而产生位移的星图。为了克服这一缺陷，提出了一种有效的星图识别算法，该算法在生成导航星数据库时以一些一定范围内的亮星为中心，把整个天球分为很多个四方形区域，然后根据被拍摄星图的特点从这些四方形区域内选取子区域参与星图识别。仿真结果表明该算法不但继承了字符匹配算法的优点，而且对星图位移有很强的鲁棒性。     

星图匹配制导中的关键技术

为了提高新一代弹道导弹的快速、机动反击能力和射击精度，采用星光，惯性组合制导足最佳的选择。本论文给出了基于双星敏感器的、星图匹配制导系统的关键技术。提出了根据弹道设计导航星表．极大地简化了弹载星表；提出了一种适用于星光制导的凸多边形箅法，合理地减少了匹配的星对角距数目。这两项技术保证了星图匹配制导技术的实用性。提出了一种分离初始定位、定向误差及平台漂移误差方法。采用凸多边形的星图识别算法可同时获得多颗星的瞬时位置，结合恒星在像平面的位置可解算导弹在赤道惯性系和发射点惯性系的三轴姿态，最后，给出了导弹初始定位、定向误差的数学表达式。仿真结果表明了该方法的有效性。     

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.     

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。     

利用增量相位和星光仰角增强XNAV

针对X射线脉冲星导航系统(XNAV)中过程噪声统计特性难以准确获取，对其不当假设导致滤波器估计性能不佳的问题，提出基于自适应差分卡尔曼滤波器(ADDF)的多信息融合算法。为了降低导航误差，在传统脉冲星计时观测的基础上，增加恒星星光仰角及两个时刻间的相位增量观测量，共同增强XNAV。首先，分别建立计时观测模型、相位增量模型及星光仰角模型；然后将多信息测量模型集成到卫星轨道动力学方程中，以建立ADDF滤波模型；最后对所提方法进行仿真验证。实验结果表明，在相同的初始状态和初始噪声误差条件下，与传统X射线脉冲星导航算法相比，多信息融合算法能将导航位置估计精度提高70%以上，位置估计误差降低到 200 m 左右，速度估计精度提高40%以上，且ADDF性能优于无迹卡尔曼滤波器。