基于信息融合的深空探测器的自主导航方法

天文导航是深空探测器实现自主导航的重要手段之一，其基本原理是基于航天器轨道动力学方程和对天体的观测信息，利用卡尔曼滤波精确估计航天器的位置和速度。但由于天文导航只使用了相对于天体的角度信息，所以定位精度较低。为解决这一问题，文章提出了一种在天文观测信息的基础上，同时利用多普勒频移测量探测器与地面站的相对速度，并利用信息融合将两者有效的结合在一起的导航新方法。计算机仿真结果显示，该方法可以大大提高导航定位的精度。     

一种巡视器惯性/视觉组合导航新方法

在以运动参数误差为状态量、视觉导航与惯导导航相对运动参数差为观测量的传统惯性/视觉组合导航方法中,为解决相对运动参数同时与前后两个时刻状态相关的问题,采用将前一时刻位置和姿态误差增广到状态量中的方法,并且假设增广的状态量为常值,导致状态模型中引入了较大的误差.基于真实位置、姿态建立观测量误差模型,导致观测量同时与前后两个时刻的状态相关.本文以惯导误差方程为状态模型,采用四元数差形式的相对运动参数差作为观测量,基于上一时刻组合导航位置、姿态估计值建立观测量误差模型,实现了状态的增广,并使得量测信息仅与当前时刻的位置误差和平台失准角相关,克服了状态模型误差较大的问题.月面仿真和地面模拟实验均表明,该方法能够达到较高的位置和姿态估计精度.     

月球车地球敏感器图像地心位置提取算法

地球是月球上可视半径最大的天体，且在天球上运动范围较小，不存在升降现象.当月球车在月球对地面区域活动时，利用地球敏感器对地球成像可实现月球车长期自主天文导航.地球图像地心位置提取是利用地球敏感器进行天文导航的关键技术之一，直接决定了地球敏感器的观测精度.本文通过研究地球敏感器镜头投影模型分析地球成像规律，提出一种不受地相变化约束的地球敏感器图像地心位置提取算法，采用取半搜索法和循环搜索法两步实现地球真实边缘线的充分筛选，并基于此拟合地心位置.半物理仿真实验校验结果表明，本算法能针对不同地相图像有效提取地球中心，外符合平均精度约为9.78"~16.68"，在实验条件随机改变的情况下，地心位置外符合精度标准差互差最大不超过0.98".      

视线测量光学导航系统观测模型选取

在基于视线矢量观测的自主光学导航系统中,观测模型的非线性是影响导航精度的一个重要因素.通过定量计算观测模型的非线性强度,研究了视线测量光学导航系统测量模型的选取问题.文章基于透射投影模型的共线性方程,给出了两种视线矢量观测模型的导航测量方程及测量噪声统计特性.在扩展卡尔曼滤波框架内深入分析了观测模型非线性对导航性能的影响.并利用微分几何非线性曲率测量理论,定量比较了两种观测模型的非线性强度.最后以基于视线矢量观测的姿态确定系统为例,仿真验证了非线性曲率测量与导航性能的一致性,结果表明基于单位矢量观测模型的光学导航系统具有更高的估计精度和更快的收敛特性.     

环火星自主导航系统设计及参数优化研究

当前火星探测器环绕段的导航信息主要依赖地面深空探测网提供,基于光学成像的导航方式尚不能提供较高的导航精度。因此提出一种应用相对测量的探测器实现火星环绕段的自主导航。两颗编队飞行的探测器进行相对测量,观测信息为探测器之间的相对视线矢量(LOS)。同时利用主星的星敏感器确定星体在惯性空间的姿态,将观测信息转换至惯性系下获得简化的观测方程,使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)对卫星的轨道进行确定。介绍了具体导航方案的实现方法和技术细节,使用粒子群优化方法(PSO)对模型设计的相关参数进行优化,导航精度得到明显提高。实现位置确定精度10 m,速度确定精度0.01 m/s。为设计最优的编队导航系统参数提供了有效思路。     

新型八轮月球车不同运动学建模方法及分析

为使月球车具有更好的自主导航能力,完成崎岖地形路径规划和崎岖地形可通过性仿真测试,必须建立相应的运动学模型.针对提出的新型八轮移动子系统构型月球车和地形特征,利用不同的坐标系定义和建模方法建立了八轮月球车的3种不同运动学模型:关节机器人D-H坐标建模方法运动模型、平面几何运动学关系和三维几何运动学关系运动学模型.在此基础上对建立的3种运动学模型进行分析对比,提出了3种运动学模型的适用条件和范围.最后指出构建的运动学方程可以作为月球车多轮协调运动控制模型和月球车仿真环境中运动关系的求解器模型.     

火星探测巡航段天文自主导航方法研究

对于火星探测巡航段的自主导航问题，提出了一种基于太阳及行星观测的自主导航方法。在巡航段初期及后期，根据探测器在太阳系中的位置关系，分别选择太阳、地球及太阳、火星作为观测目标，采用星载太阳敏感器和光学相机测量导航天体实现矢量，建立观测方程。利用非线性扩展卡尔曼滤波，分别建立两种观测方案对应的导航算法。仿真结果表明巡航段导航定位精度优于100 km，定速精度1 m/s。该方法实现简单，系统资源要求不高，对未来火星探测具有一定的工程参考价值。     

多星敏感器测量最优姿态估计算法

多数利用星敏感器加陀螺组合的姿态确定方法中,由于星敏感器精度较高,使得系统定姿的精度比较高.然而,姿态确定的算法因观测模型和误差处理不当,导致滤波器观测修正能力下降,从而不能有效地估计陀螺的漂移误差.提出了基于星敏感器观测姿态角的误差建模,研究了多星敏感器组合的最优安装构型和观测融合方法.利用加权最小二乘法对观测数据的预处理,使观测方程定常化.再利用陀螺加星敏感器组合的扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filtering)对航天器姿态和陀螺漂移进行估计.仿真结果表明,提出的多星敏感器最优组合的滤波方法能够有效精确地估计卫星三轴姿态和陀螺漂移,且该方法计算量小,有利于卫星定姿系统的在轨自主运行.     

基于遗传算法的航天器纯星光导航方法

对于地月转移轨道的航天器,提出了以地球和月球两个近天体与三颗恒星之间的星光角距作为观测量,采用最小二乘法进行位置解算的方法.鉴于该方法精度不高,进一步以月球和恒星的天文信息为观测量,利用行星敏感器测量航天器与地球、月球之间的几何关系,利用星敏感器识别星光,建立航天器的位置方程,并通过遗传算法解算位置方程,进而实现对航天...     

基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航研究

针对航天器自主导航方法不适合高超声速临近空间飞行器的问题,研究了基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航方案.论述了基于非开普勒轨道的自主天文导航机理,通过对高超声速临近空间飞行器受力分析,建立了动力学方程;利用矢量倒数法则推导出空间运动方程;设计了基于非开普勒轨道的状态模型和基于星光折射间接敏感地平的观测模型,采用卡尔曼滤波进行了仿真验证.仿真结果表明,基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航可达到较高的位置和速度精度.     

航天器天文导航中星敏感器最佳安装方位研究

航天器自主天文导航中,通常用星敏感器和地平仪测量的星光角距作为观测量,星敏感器安装方位角是影响导航精度的一个重要因素.针对星光角距作为观测量的自主天文导航方法,分别采用扩展卡尔曼滤波EKF(Extended Kalman Filter)和Unscented卡尔曼滤波UKF(Unscented Kalman Filter)2种滤波方法进行仿真计算,研究了星敏感器安装方位角对导航精度的影响规律,得出星敏感器的最佳安装方位角,并考察了其在不同轨道参数下的适用性,为星敏感器的安装和星敏感器视场内观测星的选取提供了依据.仿真计算表明,本结论对其它利用"星光+地平"的自主导航方法也适用.     

新型复合多视场光学敏感器及其导航方法

基于利用四面镜结构实现的复合多视场光学敏感器,给出了一种高精度天文导航方法,即通过四面镜同时观测地球、导航星和折射星,利用卫星、地球、恒星之间的位置关系,实现自主导航。通过研究导航量测信息的获取途径,给出了复合多视场光学敏感器的5种实用工作方式。结合卡尔曼滤波算法,建立了自主天文导航的仿真模型,并对5种工作方式进行了仿真与比较。仿真结果表明:双组直接敏感地平与单组间接敏感地平结合的导航方式精度最高,位置精度达到了10 m量级。     

基于UKF和信息融合的航天器自主导航方法

X射线脉冲星导航利用X射线辐射脉冲到达时间(Time of Arrival,TOA)作为信息输入,星敏感器导航利用星光角距等作为信息输入,是两种不同机理的天文导航方法.提出一种将脉冲星TOA和星敏感器星光角距测量结合的信息融合天文自主导航方法,设计了一种利用激光光量子模拟脉冲星X射线辐射光子的半物理仿真系统用于算法验证,并基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)使用真轨道参数做了仿真试验.结果表明,基于UKF的信息融合方法比基于EKF (Extended Kalman Filter)的信息融合方法性能更好,与仅使用脉冲星或星敏感器的导航方法相比,能将位置估计精度分别提高52.7％和43.6％,速度估计精度分别提高82.2％和70.5％.     

一种深空探测器自主天文导航新方法及其可观测性分析

天文导航是一种适用于深空探测器的完全自主的导航方法，与传统的直接利用天体观测信息进行滤波的方法不同，针对深空探测器，提出了一种首先利用天文观测信息通过几何解算得到一个初步的定位结果，再结合轨道动力学方程利用多模自适应(MM)滤波方法对初步结果进行再处理的自主天文导航新方法，仿真计算的结果表明，该方法可以明显提高导航定位精度，同时从可观测性和可观测度的角度，分析了应用该方法提高导航定位精度的原因和机理。     

考虑星历误差的天文测角/时间延迟量测组合导航方法

基于太阳震荡的时间延迟是一种新型天文导航量测量，可以提供探测器相对反射天体的距离信息，与星光角距量测量结合，可以提高导航性能。然而，星光角距量测模型与时间延迟量测模型均含有火卫一相对火星的位置矢量，火卫一的星历误差将影响导航精度。针对这一问题，提出了一种基于在线估计的天文测角/时间延迟量测组合导航方法，建立了包含火卫一位置及速度的状态模型，利用星光角距及时间延迟量测量同时对火卫一的位置和速度进行在线估计，仿真结果表明，提出的方法可以有效抑制火卫一星历误差对组合导航精度的影响，为探测器提供高精度的自主导航信息。     

考虑太阳自转的天文多普勒差分导航方法

基于太阳震荡的时间延迟是一种新型天文导航量测量，可以提供探测器相对反射天体的距离信息，与星光角距量测量结合，可以提高导航性能。然而，星光角距量测模型与时间延迟量测模型均含有火卫一相对火星的位置矢量，火卫一的星历误差将影响导航精度。针对这一问题，提出了一种基于在线估计的天文测角/时间延迟量测组合导航方法，建立了包含火卫一位置及速度的状态模型，利用星光角距及时间延迟量测量同时对火卫一的位置和速度进行在线估计，仿真结果表明，提出的方法可以有效抑制火卫一星历误差对组合导航精度的影响，为探测器提供高精度的自主导航信息。     

Autonomous satellite navigation using starlight refraction angle measurements

An on-board autonomous navigation capability is required to reduce the operation costs and enhance the navigation performance of future satellites. Autonomous navigation by stellar refraction is a type of autonomous celestial navigation method that uses high-accuracy star sensors instead of Earth sensors to provide information regarding Earth’s horizon. In previous studies, the refraction apparent height has typically been used for such navigation. However, the apparent height cannot be measured directly by a star sensor and can only be calculated by the refraction angle and an atmospheric refraction model. Therefore, additional errors are introduced by the uncertainty and nonlinearity of atmospheric refraction models, which result in reduced navigation accuracy and reliability. A new navigation method based on the direct measurement of the refraction angle is proposed to solve this problem. Techniques for the determination of the refraction angle are introduced, and a measurement model for the refraction angle is established. The method is tested and validated by simulations. When the starlight refraction height ranges from 20 to 50 km, a positioning accuracy of better than 100 m can be achieved for a low-Earth-orbit (LEO) satellite using the refraction angle, while the positioning accuracy of the traditional method using the apparent height is worse than 500 m under the same conditions. Furthermore, an analysis of the factors that affect navigation accuracy, including the measurement accuracy of the refraction angle, the number of visible refracted stars per orbit and the installation azimuth of star sensor, is presented. This method is highly recommended for small satellites in particular, as no additional hardware besides two star sensors is required.     

一种基于纯天文观测的火星车自主导航方法

提出了一种基于纯天文观测的火星车自主天文导航新方法．该方法仅需利用由星敏感器视场内测量得到的火星卫星(火卫一、火卫二)和某一恒星之间的星光角距,结合火星车的运动模型,通过Unscented粒子滤波方法,即可获得高精度的火星车实时位置信息,计算机仿真结果表明丁该方法的有效性,同时对几个关键的精度影响因素进行了仿真分析．     

航天器自主天文导航系统的可观测性及可观测度分析

天文导航系统中的观测量是一个重要的精度影响因素,星光角距和星光仰角是天文导航中两种最常用的观测信息,首先介绍了这两种观测信息及其量测方程的建立,然后从天文导航系统的可观测性和可观测度的角度,以观测矩阵的条件数作为系统可观测度的度量标准,分析了由于所选用的观测量的不同所导致的系统导航性能的差别,同时给出了一种衡量天文导航系统中的观测量和系统性能的分析方法.计算机仿真结果证明了该方法的有效性.