月地返回轨道误差分析和第一次中途修正时机

分析了月地返回飞行过程中的误差因素和量级采用蒙特卡洛法和统计理论,定量分析了月地返回轨道入轨时刻误差、入轨状态误差、入轨控制误差、转移段定轨误差、中途修正控制误差等各种误差对轨道终端参数的影响。给出了月地返回轨道中途修正的计算步骤,然后以预期再入时刻和目标再入点为修正目标,采用微分改正法计算中途修正所需的速度增量。结合误差分析结果和测控条件,给出第一次中途修正时机的建议和一个具体算例,计算结果表明所提中途修正方法和策略可以修正入轨误差、定轨误差和控制误差的影响,使月地返回轨道可以按预期的再入时刻返回预定再入点。     

基于大幅值Lyapunov轨道的地月转移轨道设计研究

基于平面圆形限制性三体问题模型,利用与绕月轨道相切的大幅值Lyapunov周期轨道,提出了一种新的地月转移轨道设计方法。根据Poincaré截面与限制性三体问题动力学系统对称性计算得到的大幅值Lyapunov轨道,通过与绕月轨道拼接,将地月转移问题转化为地球到大幅值Lyapunov轨道的转移问题。为保证探测器能够从近地轨道（LEO）切向逃逸到达大幅值Lyapunov轨道,通过计算其稳定流形,采用最近点作为Poincaré截面的终止条件求解探测器的初始状态,并根据初始状态完成地月轨道的设计。仿真结果表明,该地月转移策略相比于Hohmann转移,在同样只需要两次速度增量的前提下,约节约100 m/s的速度增量,该研究为地月转移轨道的设计提供了一种新思路。     

基于特征模型的Halo轨道维持控制

平动点，尤其是共线平动点轨道在未来深空探测活动中具有重要的应用价值，但由于共线平动点轨道不稳定，运行在其上的航天器在无控情况下将很快偏离标称轨道，因此在实际任务中，轨道维持必不可少。针对地月系L₂点附近的Halo轨道维持问题，首先在圆型限制性三体模型下，利用Richardson三阶近似解析解、微分修正以及打靶法获得了用于维持控制的标称轨道；然后设计了基于特征模型理论的黄金分割控制器用于速度跟踪以及PD控制器用于位置跟踪；最后分别在圆型限制性三体模型和双圆限制性四体模型下进行了仿真分析。结果表明：在两种模型下，位置和速度的跟踪精度分别优于100 m和0.003 m/s，但双圆限制性四体模型下所需总的速度增量比圆型限制性三体模型下所需总的速度增量高一个数量级。     

单点弹道精度与轨道半长轴远地点高度计算精度的映射关系

在仅使用单点位置、速度信息计算轨道的奈件下,针对轨道半长轴、远地点高度的精度问题,在轨道面内,应用活力公式和二体运动学理论推导得出了轨道计算精度与弹道测量精度间映射关系的解析表达式,并采用数值分析方法给出了不同的位置、速度误差与半长轴、远地点高度最大误差之间的数值关系.仿真结果表明,对于位置误差和速度误差大小分别为100 m和1 m/s的算例,半长轴最大误差和远地点高度最大误差分别约为2 km和4 km.基于此方法,可以将弹道误差传递至轨道参数误差,进一步分析故障误判和漏判概率;也可根据轨道参数精度要求反算弹道测量精度要求,以作为地面测量系统建设的技术依据.     

基于月球借力的低能DRO入轨策略

在地月空间的远距离逆行轨道（DRO）部署月球轨道站可显著降低月球开发成本,并可作为未来小行星探测和载人火星任务的跳板。月球轨道站的在轨建造和货物补给任务中,提高航天器入轨质量是重要问题。从地球至DRO的转移轨道可以采用弱稳定边界（WSB）转移轨道降低入轨脉冲,但是直接抵达WSB需要较高的火箭发射脉冲。研究了基于月球借力的弱稳定边界DRO入轨策略,首先通过“近月点庞加莱图”和“v无穷匹配”获得较好的轨道初值,接着采用“多步打靶”在星历下对转移轨道进行修正,上述方法有效提高了该类型转移轨道的计算效率。对于共振比2∶1的DRO轨道,总脉冲最优解的地球发射脉冲3.127 km/s（与直接抵达WSB相比降低60～70 m/s）,飞行总时间102.88 d,DRO入轨脉冲仅需66.1 m/s。     

基于标准弹道点的最优制导方法

由于基于需要速度的显式制导方法要确定虚拟目标点,虚拟目标点的确定要对地球扁率和再入阻力的影响进行修正,存在着百米以上的修正误差,为此提出了基于标准弹道点的最优制导方法,即将标准弹道的某点作为目标点进行需要椭圆轨道计算及最优入轨控制。提供了采用弹上迭代制导方法实现最优控制,同时给出了预测关机参数的需要椭圆轨道终端约束校正方法。该制导方法无需进行地球扁率和再入阻力的影响修正,可以减少方法误差,仿真计算证明了这一点。     

基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位方法

受X射线脉冲星导航技术的启发，提出了一种基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位新方法，即利用人造信标模仿脉冲星发送高稳定性高信噪比X射线脉冲信号为航天器提供定位服务。首先介绍了仿脉冲星X射线信标基于三球交汇的定位原理，在分析X射线信标信号覆盖范围与天体引力摄动的影响的基础上，提出了在太阳系行星轨道中的拉格朗日点布置X射线信标的方案。其次，分析论证了人造辐射源的可行性，并基于优选脉冲星准则并结合实际脉冲星特征对辐射源参数进行初步优化。然后针对将来可能的地火转移任务需要，结合航天器动力学模型构建了基于X射线信标的观测方程，采用扩展卡尔曼滤波方法，研究了X射线信标几何分布、观测误差、信标数量、钟差及轨道误差对于航天器位置确定精度的影响。仿真结果表明，在同时观测3颗信标、TOA(Time of Arrival)测量精度为50 ns的条件下，该方法的航天器位置估计精度可达152 m，并且大部分信标组合都能将定位误差控制在1 km内。增加观测信标数量对定位精度较低信标组合的提升显著，但由于太阳系各行星间轨道倾角较小，地火转移轨道航天器同时观测5颗信标时定位误差仍在百米量级。根据深空探测领域航天器的实际...     

月地转移轨道精确轨道设计

以基于Lambert算法的快速轨道设计结果为初值,开展精确轨道设计研究.通过对月地返回飞行阶段的摄动项和量级分析,建立了月地转移轨道的动力学方程,提出了一种双向嵌套循环搜索算法,采用该算法求解同时满足两端约束条件的精确月地转移轨道.该算法以出月球影响球的时刻和位置、速度为中间变量,一方面采用前向数值积分和微分改正法搜索满足地球再入端的轨道,另一方面采用后向数值积分并进行倾角和近月距修正得到满足月球端的轨道,通过这种双向嵌套循环,使得两段轨道在月球影响球边界处的位置和速度连续,从而获得一条完整的满足两端约束条件的月地转移精确轨道.最后以2017年1月26日出月球影响球作为返回窗口,给出了具体的设计算例,并通过STK软件仿真验证了程序的设计结果.     

GNSS广域差分改正数估计方法研究

随着我国北斗三号基本系统的正式运行，基于地面监测站的广域差分增强系统成为进一步提升卫星导航定位精度的手段之一。在码噪声多径误差修正（CNMC）的基础上，使用等效钟差方法实现GNSS卫星轨道与钟差误差的解耦，并依据卫星轨道运动的动力学特性，引入希尔差分方程描述卫星轨道误差变化，实现对轨道误差的实时卡尔曼滤波估计。基于GPS实测数据，对改正前后的用户等效测距误差（UERE）和定位精度进行了对比研究。实验结果表明，采用该方法，UERE标准差由改正前的0.456 m减小至0.227 m，降幅达到50.22%；整体水平定位误差（95%置信区间）由0.981 m减小至0.782 m，垂直定位误差（95%置信区间）由1.991 m减小至1.131 m，分别提升了20.29%和43.19%，差分改正效果明显。     

基于不变流形的地月L2点Halo轨道转移轨道设计

针对Halo轨道转移轨道设计不易收敛的问题,结合月球探测背景,分析了地月L2点Halo轨道及其不变流形可靠近月球的运动轨迹特性,给出基于二分法的先粗选后精选的零消耗转移轨道搜索方法并研究得出Halo轨道全相位点入轨的零消耗转移轨道不超过2条,提出一种最小x轴约束的近月点终止条件和自适应退步搜索的改进微分修正算法,对Halo轨道全相位点入轨的转移轨道设计进行求解。仿真结果表明,该改进微分修正算法收敛速度快,能有效避免奇异,且适应性强,能搜索出全相位点入轨的所有转移轨道。     

调频连续波激光雷达目标相对距离及径向速度信息提取方法

利用线性调频连续波（LFM/CW）激光雷达进行测量时,相对运动引起的多普勒效应和信息输出延迟都会造成测量结果偏差。分析了多普勒效应和信息输出延迟对测量的影响,提出了基于偏差抵消原理的相对距离及径向速度信息提取方法,根据测量任务需求对该方法和基于二维傅里叶变换的信息提取方法进行了仿真比较。结果表明：基于偏差抵消的信息提取方法不仅可以在相对径向速度未知的情况下准确提取目标相对距离信息,更可在每个调频周期结束后给出测距结果从而提高测距实时性;相比基于二维傅里叶变换的信息提取方法,当相对径向速度小于750 m/s时,基于偏差抵消的信息提取方法可使得测速偏差减小一个数量级。     

平流层飞艇升降阶段BPNN惯性导航算法

软式平流层飞艇艇体在上升和下降时经常呈堆叠状态，GPS信号会被艇体间歇性遮挡，因而只能采用惯性导航。为保证在飞艇上升和下降过程中，INS/GPS组合导航系统在被艇体遮挡GPS时仍能够提供满足精度要求的导航信息，设计了一种改进的反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN）惯性导航算法。采用神经网络，根据惯性导航系统在1s内的速度均值和姿态变化量，预估其在1s末的位置误差和速度误差，并对惯性导航结果进行修正。仿真实验和跑车试验结果表明，在GPS失效的30s内，新算法使得位置误差低于15m，速度误差低于0.7m/s，误差相比纯惯性导航降低了85%。     

一种提高捷联惯性/里程计组合导航系统定位精度的后处理方法

测绘用捷联惯性/里程计组合导航系统多采用离线后处理技术.此类系统利用里程计位移微分获得的速度作为观测量,采用速度匹配,并通过待测路径中预置的Mark点校正航位推算的位置信息.本文建立了基于速度匹配的16维Kalman滤波模型,对全程采样数据进行正反向导航和滤波处理,以估计惯性器件和里程计的误差;在补偿相关误差后,再次进行正向导航和滤波解算,以获得更精确的姿态矩阵.随后,根据相邻两个Mark点之间的姿态信息进行航位推算,并更新里程计刻度系数、里程计与惯导间的姿态误差矩阵;若此Mark点间的位置误差过大,则重新进行航位推算以减小位置误差.结果表明,与传统正向滤波相比,采用该方法后系统的最大位置误差由1.72m降低到0.08m,定位精度提高了95％以上.     

基于解析法的用户差分距离误差解算方法(英文)

为了进一步增强星基导航系统的完好性性能,提出了一种基于解析法的用户差分距离误差计算方法。文中首先介绍了卫星时钟和星历改正数的计算方法,认为计算用户差分距离误差的关键是查找卫星服务区域内的最差用户位置。通过变换卫星时钟和星历误差协方差矩阵,将查找最差用户位置变换成一个解析几何问题,通过数学推导得出最差用户位置的解析式,进而求解用户差分距离误差。通过计算机仿真对比了解析法和遍历法之间的性能差异,结果表明:解析法的正确性由遍历法得到了验证,解析法可以减少90%的运行时间并且具有更低的计算复杂度,便于工程实现。     

基于室内合作场景智能识别的行人导航算法

基于足绑式惯性测量单元(IMU)的惯性导航系统被广泛应用于行人导航中,其通过零速修正(ZUPT)算法可对速度估计误差进行较好的补偿,然而其位置误差会随时间发散。针对于此,提出了一种基于室内合作场景智能识别的行人导航算法。通过随机森林算法,对行人在室内平地步行、上楼梯、下楼梯等不同步态进行训练与辨识,并结合室内先验地图对行人导航的结果进行校正。通过实验表明,行人在室内行走1100m时最大定位误差为1.85m(总行程0.17%),相对无场景识别的方法精度提高了6倍,可以有效提高行人导航精度。     

无线电外弹道测量设备轴系误差修正方法改进

对无线电外弹道测量设备轴系误差的性质进行分析,论述了传统轴系误差修正方法的缺点,采用坐标系转换的原理,推出了一种轴系误差的精确修正方法。对各种误差项进行分离,将传统的轴系误差修正方法改进为实时快速修正方法,并利用实际标定的误差数据,仿真计算不同修正方法的修正效果,验证了轴系误差精确修正方法的正确性,验证了实时快速修正方法的正确性和快速性。     

一种制导误差分离的新方法

针对制导误差分离模型中环境矩阵S存在严重病态性,从而影响分离结果精度问题,提出了一种基于动力系统求解的制导误差分离方法。该方法从分析线性迭代求解方法入手,将具有病态特性的线性方程组求解问题转化为对相应刚性动力系统的求解问题。这里给出了该方法收敛性及其他特性的证明。为了验证该方法效果,在遥外测视速度误差分别为0.01m/s、0.02m/s以及0.03 m/s的条件下,选用PB(Primary Bayesian,主成分贝叶斯)估计方法与其进行比较,数值结果表明,该方法可有效地降低环境矩阵病态性对误差分离结果的影响,且分离结果的稳健性和精度都优于PB估计方法得到的结果。     

基于改进容积卡尔曼滤波的惯性/光流组合自主测速方法

针对容积卡尔曼滤波算法在惯性/光流组合测速数据融合时出现由于各系统输出数据频率不一致导致融合精度有限的问题,提出了一种基于多速率残差校正的改进容积卡尔曼滤波算法.通过当前时刻误差估算组合导航系统残差,再使用估算后的残差对速度估计值进行补偿,最终实现惯性/光流组合系统速度测量值的数据融合.实验结果表明,通过提出的改进容积卡尔曼滤波对惯性/光流数据进行融合后,东向速度均方根误差为0.2964m/s,北向速度均方根误差为0.06m/s,与现有其他卡尔曼滤波算法相比,此方法可显著提高惯性/光流组合系统的速度测量精度.