一种近地卫星自主定轨的联合滤波算法

地磁场具有完整的数学模型,而地磁场矢量是卫星的位置矢量函数,利用地磁场测量可以实现近地卫星的自主导航。首先建立近地卫星的高精度轨道动力学模型,提出基于星敏感器与磁强计相结合的自主导航算法,利用星敏感器输出高精度的姿态信息,同时恒星星光矢量与地磁场矢量组成两种观测模式,采用联合滤波算法对系统进行数值仿真,并对滤波算法的收敛性和仿真结果的精度进行了分析。通过对数值仿真结果的分析证实了该方案具有良好的鲁棒性和容错性。     

基于FPGA+DSP的X射线脉冲星导航原理样机的设计与实现

为了验证X射线脉冲星导航算法在星载计算机环境下的实时性和适用性,设计了基于FPGA+DSP架构的X射线脉冲星导航原理样机,导航原理样机中的FPGA用于系统的逻辑控制以及光子数据的存储;DSP则用于将接收到的光子数据进行转换、脉冲折叠、脉冲数据互相关处理、数据插值以及最小二乘滤波等算法。最后搭建了X射线脉冲星导航地面半物理仿真系统,系统以光子到达时间残差作为观测量,结合卫星轨道动力学模型,基于滤波算法实现航天器的导航定位。仿真结果表明,导航位置误差优于10 km,速度误差优于1 km/s。     

地磁场模型简化计算方法

为了实现地磁导航在近地轨道卫星上的应用,需要解决传统的高斯球谐函数递推法在计算地磁场强度时存在方法复杂、计算量大、实时性难以保证等问题.针对上述问题,提出一种用地球磁场估计函数代替球谐函数的地磁场强度计算方法.该方法利用伪地心下的磁偶极子模型代替主磁场模型,通过多项式拟合离线得到高度范围内固定经纬度网格点的伪中心距系数,进而利用插值法和偶极子模型得到任意点的地磁场强度.仿真结果表明,轨道高度为300～500km,经纬度网格间隔为0.5°时,地球磁场估计函数法的导航精度与地球主磁场模型WMM精度一致的同时,降低了计算负担,提高了算法计算效率.      

星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航

为解决星座仅依靠星间链路测量进行自主导航时的整体旋转和漂移问题,提出一种星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航方法.通过星间观测相机和磁强计,获得同轨道相邻卫星视线矢量与地磁场方向之间的角距和地磁场模值,为低轨星座引入空间基准信息.在非秩亏性分析的基础上,分别建立状态方程和量测方程,利用扩展卡尔曼滤波方法进行整星座的最优状态估计.仿真结果表明,星座卫星自主导航位置精度优于20m,速度精度优于0.05m·s-1,自主导航运行时间维持180天,能够满足低轨卫星星座自主导航的应用需求.      

基于视线矢量的深空自主导航算法研究

针对深空探测器在行星际飞行的轨道确定问题, 研究了一种基于视线矢量的自主导航算法. 结合深空探测任务的特点, 以太阳视线矢量和地球视线矢量作为导航系统的观测量, 在详细分析太阳敏感器测量原理的基础上, 给出了太阳视线矢量的观测模型及其观测误差表达式. 通过分析导航相机观测原理, 给出像元像线观测模型, 并推导了地球视线矢量的观测误差. 根据惯性空间内视线矢量间的几何关系, 详细推导了探测器的位置矢量及其误差表达式, 结合非线性扩展卡尔曼滤波建立自主导航算法. 利用深度撞击任务的实际飞行数据对本文提出的深空自主导航算法进行了仿真验证.      

两种J_2摄动模型下卫星编队相对位置误差分析

为了研究一个轨道周期内卫星和卫星编队的运动规律,在J2摄动理论基础之上,采用摄动加速度分析方法,给出了J2瞬时摄动模型。以近地太阳同步轨道卫星和双星编队为例,与只考虑J2一阶长期项的平均摄动模型比较,仿真分析结果表明,对卫星而言,一个轨道周期内,卫星半长轴相对平均半长轴漂移达到18km,偏心率相对平均偏心率漂移达到10-3量级,轨道倾角相对平均轨道倾角漂移达到0.01°,即由于J2瞬时摄动的影响,卫星运动发生了摄动;对双星编队而言,一个轨道周期内,两星相对位置的径向误差达到5km,沿迹向误差达到19km,法向误差相对较小,在10-2量级上,相对距离的误差达到了19km,随着时间的推移,误差会越来越大。     

基于视线矢量测量的火星接近段自主导航算法

为了实现中国首次火星探测接近段的自主导航,设计一种基于视线矢量测量的自主导航算法,以测量火星视线单位矢量为唯一观测量,在轨道动力学及星-火间几何关系的基础上,详细推导出了探测器位置矢量模的表达式,并进一步推导出探测器位置及速度矢量的表达式,建立自主导航算法.通过仿真验证,分别对闭合轨道和双曲线轨道下基于三视线测量自主导航算法的表现进行比较分析.     

一种基于太阳震荡时间延迟量测的自主天文导航方法

太阳震荡可以在短时间内引起太阳光强度和光谱线心波长的剧烈变化,通过探测太阳光强度和光谱线心波长并记录时间,可以获得直接接收的太阳光到达时间和经天体反射的太阳光到达时间之间的时间延迟,可以利用时间延迟作为量测量提供航天器的位置信息。提出了一种基于太阳震荡时间延迟量测的自主天文导航方法;建立了基于时间延迟的隐式量测模型,并应用了IUKF方法。仿真结果表明：本文所提出的导航方法,应用在转移轨道上的位置误差和速度误差分别约为3.55 km和0.077 m/s,环绕轨道分别为1.76 km和1.57 m/s。同时也研究了3种因素对导航性能的影响。     

基于GPS对地球同步轨道自动转移飞行器进行导航的可行性分析

研究利用GPS对地球同步轨道自动转移飞行器进行导航的方法,分析了飞行器在转移过程中可用的GPS卫星数目,在地心惯性坐标系下建立了惯导误差和GPS的伪距、伪距变率模型,采用渐消因子的自适应卡尔曼滤波对飞行器进行组合导航.仿真结果表明,可用GPS卫星的数目随着飞行器高度的增高而减少,因此无法利用单一历元观测信息直接对飞行器导航.但采用多历元观测信息和动力学模型相结合的滤波方法可对飞行器进行组合导航,当飞行器初始位置偏差为1 km,初始速度偏差为1 m/s,伪距及伪距变率观测均方差分别为10 m和0.05 m/s时,地球同步轨道自动转移飞行器的最终位置偏差小于50 m,速度偏差小于0.02 m/s.      

含有建模和测量误差的卫星自主定轨系统能观性分析

影响卫星自主轨道确定精度的主要因素包括动力学建模误差及测量误差。考虑动力学模型及测量均存在系统误差时，解决问题的一个途径是将这两种系统误差与卫星运动状态构成扩增状态后一同估计。为了保证滤波的稳定，就必须对此扩增系统的能观性进行分析。基于非线性系统的局部弱能观性理论，分析并给出了无摄动条件下单星自主定轨系统中卫星运动状态、建模误差及测量误差均能观的充要条件，即当轨道为圆轨道时增广系统处处不能观，当轨道不为圆轨道时处处能观。最后通过仿真算例对结论进行了验证，仿真结果显示对于非圆轨道，当建模误差及测量误差均为常值或慢时变时，采用扩展卡尔曼滤波算法对增广系统的状态估计是有效的。     

低高度内辐射带高能质子空间分布位形的研究

利用国际地磁参考场模式(IGRF模式)分析了1970-2000年低高度南大西洋负磁异常区位形的漂移与变化，给出了几个高度异常区中心位置磁场强度的变化和位置的变化。利用带电粒子的运动学方程，简要分析了低高度辐射带高能粒子的运动，得出在低高度，磁场是决定辐射带高能粒子空间强度与分布的决定性因素．低高度辐射带空间分布位形的变化特征应该与低高度南大西洋负磁异常区的变化特征基本一致．低高度南大西洋负磁异常区的特征可以作为低高度辐射带空间分布位形的一个初步判据。     

磁异常干扰下基于约束策略的仿生导航方法

地磁场异常将会在导航空间中形成极值区域,扰乱磁趋性运动行为,容易造成基于搜索的地磁仿生导航方法陷入局域极小,使得载体迷失航向难以逃离异常区域,最终导致导航失败。针对这一问题,提出了一种基于行为约束策略的导航搜索方法,通过约束搜索行为强制载体扩大探索范围,进而摆脱异常区域干扰,促使载体进入正常地磁场环境。利用磁趋性统计特征与多目标函数的收敛状态构建行为约束的触发及终止条件,将磁趋性历史数据中较好的样本作为约束行为,实施导航搜索行为约束。伴随载体的移动,实现对进化种群的时序更新,最终引导载体到达目标位置,完成导航任务。仿真结果表明,该方法能够有效克服磁场异常环境对地磁仿生导航的干扰,完成导航任务,并能够有效提高远程自主导航的成功率。      

地磁测量卫星的矢量磁场在轨标定算法仿真

以SWARM为代表的高精度地磁测量卫星对地球磁场探测精度经过标定之后优于0.5 nT,对于开展地磁科学研究具有重要意义。地磁测量卫星通过安装在伸展杆上的矢量磁通门磁强计、标量磁强计和高精度星敏感器,获取测量方向的惯性空间姿态的地磁信息,其中高精度标量磁强计主要用于对磁通门矢量磁强计进行标定。针对地磁测量卫星,研究了矢量磁强计在轨测量误差的校正方法。考虑到矢量磁强计非正交角、标度因子以及偏差的影响,建立磁场矢量线性输出模型;结合标量磁强计的测量值分别设计基于小量近似的线性校正算法和基于参数辨识更新的非线性校正算法;校验两种算法的标定精度,并通过Tukey权重函数改善算法的鲁棒性。仿真结果表明,两种算法校正结果相似,磁场三轴误差可校正至0.5 nT以内,在标量磁强计存在异常值时仍具有较好的校正效果。      

大气中子实时计算模式

为实时评估0~100km高度范围内的大气中子全球分布,对宇宙线在地磁场和大气中的传输过程进行了分析.利用蒙特卡罗方法工具包Geant4,预先计算不同能量的粒子在大气层中产生的次级粒子能谱分布,形成大气次级粒子数据库,并与相关模型进行对比,验证了该数据库的有效性和可靠性.以实测或预报的空间环境参数作为输入,计算同步轨道银河宇宙线和太阳质子事件能谱以及100km高度上的地磁垂直截止刚度,最终得到大气层顶上的粒子能谱.通过对大气次级粒子数据库的线性插值,实现1h分辨率的大气中子能谱和辐射剂量全球分布的实时计算.      

中国及邻近地区地磁场垂直梯度的计算与研究

根据地磁场的球谐模型,推导出地磁场各个分量垂直梯度的球谐表达式.计算出中国及邻近地区高度为0km,50km和100km处的地磁场及其垂直梯度的网点值,编绘出地磁总强度、垂直强度、水平强度和磁偏角的垂直梯度等值线图.研究了地磁场垂直梯度在地面上以及随高度的变化规律.     

基于稀疏表示和字典学习的地磁基准图构建方法

地磁匹配导航在导航制导领域具有重要作用，地磁基准图的构建精度决定了地磁匹配导航的有效性。针对现有地磁基准图构建精度难以满足实际应用需求的问题，提出了基于稀疏表示和字典学习的高精度地磁基准图构建方法。首先，利用矩谐分析(RHA)进行稀疏字典的初始化；其次，利用K-SVD算法对稀疏字典进行训练；最后，利用低分辨率和高分辨率基准图具有相同稀疏系数的特点重建高分辨率地磁基准图。实验结果表明:所提方法对地磁基准图具有更高的构建精度，对训练所需的数据集有更低的需求，同时对噪声有更好的鲁棒性。与PSO-Kriging插值法相比，在4倍放大倍数下峰值信噪比(PSNR)由26.31 dB提高至26.73 dB，结构相似度(SSIM)由0.498提高至0.524，均方根误差(RMSE)由14.96 nT减小至13.78 nT。      

Alfven波在微电离大气中的衰减特性研究

利用简单的偶极子地磁场模型以及大气电子密度和电导率模式, 分析地面产生的磁扰动以Alfven波的模式传播到近地空间区域. 这种地面的磁扰动可能干扰近地空间卫星对空间磁扰动的观测. 通过对地面磁扰动Alfven波模式1000 km高度内的衰减情况进行模拟, 认为在近地空间采用地磁偶极子模型是合理的. 由于衰减随扰动频率的增大而急剧增强, 分析还得到了近地卫星能够探测到地面磁扰动的最大频率. 计算结果表明, Alfven波的衰减主要集中在高度50 km以下, 这个区域内的大气电导率极其微弱, 使Alfven波的传播受到极大衰减. 0.4 Hz以下的Alfven波沿磁力线传播到1000 km高度后衰减结为原来扰动幅度的千分之一, 因此频率在0.4 Hz以下的Alfven波可能会干扰低轨卫星探测磁场脉动.