小天体软着陆自主光学导航与制导方法研究

针对小天体软着陆任务自主性、实时性的需求,对软着陆小天体自主导航与制导问题 进行了研究。提出了一种利用激光测距仪和光学导航相机跟踪目标着陆点的自主导航方案, 利用测距矢量以及目标点之间的几何关系,确定着陆平面法向方向和目标点位置。分析期望 的探测器下降轨迹特点,给出了一种基于制导变量的脉冲控制制导律,通过对目标点视线与 着陆平面法向矢量之间夹角的控制,将软着陆小天体控制分解为切向控制与法向控制两部分 。最后,通过数学仿真对自主导航制导系统的性能进行了验证,结果表明该方法能够满足垂 直软着陆的任务需要,实现高精度软着陆。     

Huber-based滤波在非合作航天器相对导航中的应用

研究了空间非合作航天器的相对导航滤波器,针对Kalman滤波器对非高斯噪声处理会导致性能下降、甚至发散的情况,研究应用Huber-based滤波器对相对测量设备输出的视线角和视线距进行滤波,估计追踪航天器与目标航天器间的相对位置与相对速度。Huber-based滤波器是一种混合l1/l2范数最小估计,对受到污染的高斯分布噪声具有一定的鲁棒性,最后通过仿真校验了该相对导航方法的有效性,其相对位置精度优于3.94m,相对速度精度优于0.04m/s;在目标机动情况下,较EKF抗干扰能力更强,可提高相对导航系统的鲁棒性和稳定性。     

非合作目标交会相对导航方法研究

本文对一类非合作目标交会的相对导航问题进行了研究。基于近圆轨道上运行的非合作目标航天器初始轨道、追踪航天器在惯性空间的瞬时位置及追踪航天器到目标航天器的视线仰角和方位角等信息,文章从相对距离和相对姿态的确定及相对导航滤波器的设计三方面入手,提出了相对位置和相对速度等相对导航参数的获取方法。数学仿真验证了该方法的有效性。     

着陆小天体的自主GNC技术

由于目标小天体和地面站之间存在较长的通讯延迟，加之小天体的动力学环境复杂多变，传统的基于深空网的导航、制导与控制（GNC）模式已不再适合探测着器着陆小天体。为了实现安全着陆小天体，探测器必须具有自主导航、制导和控制的能力。本文提出了一种着陆小天体极区的自主GNC方案：首先，基于对自然特征点的自动提取、跟踪，给出了一种着陆小天体的自主光学导航方案；接着，为了安全垂直着陆小天体的极区，设计了比例-微分控制器跟踪理想的下降轨迹、消除侧向位置和速度偏差；最后，通过数值仿真对本文所提方案的可行性进行了验证。     

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。
     

对接靠拢段的一种相对导航算法研究

自主相对导航技术是空间交会对接靠拢段的关键技术之一。Unscented卡尔曼滤波(UKF)是基于Unscented Transform(UT)变换的一种新型滤波器,它避免了扩展卡尔曼滤波(EKF)的线性化误差,不必计算Jacobian矩阵,而且其状态估计精度要比EKF的高。本文研究了基于UKF滤波器的自主相对导航算法。该算法根据追踪航天器上交会雷达的测量值,采用UKF滤波器对追踪航天器和目标航天器之间的相对位置和速度进行了估计,仿真结果表明该算法可以满足位置和速度估计精度的要求。     

基于视觉的含章动小天体运动状态估算方法

针对航天器在轨运行以及空间垃圾处理等任务中需要获得两个物体之间的相对位姿,由于测量距离较大且测量目标上不能装载对应的合作靶标,需要进行大视距非合作目标位姿测量的问题,文章在绕飞段深空探测器能够捕获到近距离高清晰的目标天体图像的基础上,提出了一种基于视觉的同步定位与建图(SLAM)的翻滚小天体相对位姿估算方法,将移动机器人视觉SLAM理论推广到"相机静止,目标运动"的空间翻滚小天体相对位姿测量中,经仿真验证,结果表明:此方法可以得出翻滚小天体的位姿信息,可为视觉估计小天体位姿提供参考。     

基于信息理论的INS／Vision相对导航系统可观测度分析

基于导弹编队协同作战的应用背景,提出了一种基于INS／Vision的相对导航方法。推导了领弹与从弹间的相对惯导方程,给出了使用视觉导航设备测量领弹与从弹间相对视线矢量的原理。用扩展卡尔曼滤波融合相对惯导信息和相对视线矢量信息,估计相对位置、相对速度和相对姿态。用信息理论分析相对导航系统可观测度,给出随机变量的熵和共有信息的定义,将共有信息作为系统可观测度的衡量标准,分析了INS／Vision相对导航系统状态的可观测度,由此确定位置估计精度最高时领弹与从弹间的相对位置关系。仿真研究验证了相对导航方法的有效性和可观测度分析结果的正确性。     

基于图像序列的软着陆小天体自主导航方法

提出了一种深空探测器着陆阶段的自主导航方法。该方法通过跟踪导航序列图像中特征点在像平面上的位置,结合激光测距仪给出的探测器到小天体表面的距离信息,在特征点实际位置不确定的情况下,利用扩展卡尔曼滤波对探测器的相对位置姿态及运动信息进行递归估计。同时重构特征点的三维位置。由于不需要所选特征点在小天体表面的精确位置,因此提高了导航方法的适用性。最后通过数学仿真验证了自主导航方法的有效性。

     

一种小天体探测器绕飞轨道主动抗扰控制方法

针对小天体绕飞探测过程中,探测器受到的非球形引力摄动及太阳光压等多源扰动问题,结合绕飞探测的周期性特点,提出一种小天体探测器绕飞轨道主动抗扰控制方法。首先,通过迭代学习控制对小天体探测器受多源扰动影响产生的误差进行抑制,然后设计扰动观测器估计系统总扰动,构造自适应律实时估计扰动上界,进而设计控制律对总扰动进行主动补偿。最后以243Ida作为目标天体进行绕飞探测仿真分析,结果表明该控制方法能更加有效地提高小天体探测器的轨道跟踪控制精度。     

Autonomous navigation and guidance system for low thrust driven deep space missions

Presented herein is a concept of an Autonomous Navigation & Guidance System for electrically propelled deep space missions, including hardware configuration, algorithms for autonomous navigation and guidance, and estimates of potential guidance precision and mass consumption. This concept is actually a unified Navigation, Guidance and Attitude Control system. The unification is imposed by strong coupling between the orbital motion and the spacecraft attitude characteristic of low thrust space flights. The sensor set of the system consists of an optical instrument (Coupled Sun Star Tracker), and a block of four vector accelerometers. The propulsion subsystem is a set of nearly parallel Hall thrusters rigidly attached to the spacecraft body. The final stage of data processing is combining the thrust and torque programs and generating power and mass rate shares for every thruster. An end-to-end computer simulation provides guidance accuracy estimates versus the navigation data precision, flight time and available maximum thrust. Terminal guidance errors of a few tens of km in position and a few tens of cm/s in velocities are predicted under plausible assumptions on system parameters. Mass expenditures for the control are typically below one percent of total fuel mass budget.     

深空自主导航系统的可观性分析

研究了深空自主导航系统的可观性分析。建立了自主导航系统的观测模型，并提出了一种基于位置确定分析和可观性秩条件的导航系统可观性分析方法；该方法克服了直接利用多个导航目标的视线方向、视线角、夹角和图像信息等非线性观测量进行导航系统可观性分析的困难。针对观测矩阵的秩无法通过表达式直接确定的问题。给出了基于观测矩阵奇异值分解的导航系统可观性分析方法，并用来分析了几种观测模式对应的导航系统的可观性和轨道参数可观度。可以为在不同轨道段组合不同的敏感器提高轨道的估计精度提供参考。     

Integrated solution to the problem of estimation and identification of a state vector of the gimballess navigation system of a reentry spacecraft

An approach to the synthesis of autonomous navigation support is considered for a spacecraft executing an arbitrary spatial maneuver under conditions of internal and external disturbances. The proposed approach ensures the solution to the problem of a joint estimation of the state vector of a navigation system and the identification of the parameters of sensitive elements. A complex observer ensuring the autonomous estimation of the parameters of angular and linear motions is used to improve the accuracy of the estimation of the parameters of angular and linear motions.     

基于地月信息的奔月探测器自主光学导航

基于地月信息提出了一种奔月转移轨道的自主光学导航算法。该算法首先利用导航相机得到的地球和月球边缘图像与地、月几何形状模型，运用扩展源的空间获取算法导出地心和月心对应的像素，然后利用地心和月心像素、探测器的惯性姿态和该观测历元的地、月星历信息，通过基于UD分解的递推加权最小二乘算法确定了探测器轨道。还引入导航系统的可观度定义来分析了导航系统的可观性，数学仿真结果表明导航的位置误差小于30km，速度误差小于0．3m／s，证明该自主光学导航算法是有效的。     

航天器的自主导航技术

本文首先总结航天器自主导航技术的发展史，在此基础上分折了目前几种候选的自主导航系统，对比了它们的性能和优缺点。然后介绍了自主导航技术及系统组成规律。着重介绍了载人飞船自主导航系统的组成，自主导航的算法。最后提出了发展我国飞船自主导航系统的建议。     

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.     

惯导融合特征匹配的小天体着陆导航算法

针对探测器着陆小天体的过程提出了一种基于特征匹配结合惯导信息的探测器自主着陆导     

软着陆小行星的自主导航与制导

讨论了软着陆小行星的自主导航与制导问题，首先给出了一种使用星上光学相机和激光雷达的自主导航方法，测量探测器相对着陆点的距离与速度；接着提出了一种自主软着陆的制导方案，为了保证垂直软着陆，事先规划了满足约束的理想下降高度与速度轨迹，并设计滑模变结构控制器跟踪理想轨迹，实现在小行星表面垂直软着陆。最后通过数学仿真验证了提出的自主光学导航与制导方法的可行性。     

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。