航天器高精度自主导航技术——基于X射线脉冲星的组合导航系统方案

航天器自主导航是指航天器利用各种测量信息实时确定位置、速度、时间及姿态的方法和技术。完整的自主导航包括4个基本过程：路径规划、当前状态、航迹偏差和偏差修正,因此在实际工程应用中,导航、制导与控制（GNC）系统往往是一体化设计的。航天器自主导航具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义,具体体现在两个方面：一方面可以减轻地面测控系统的工作负担,减少测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低航天器（包括星座）系统建设和长期运行维持的费用;另一方面能减少航天器对地面测控系统的依赖,增强系统的抗干扰、抗摧毁和自主生存能力,然而,从航天器自主导航应具有的自主完备性能、实时操作、不发信号、不依赖于地面站以及长时间运行等基本特征来看,目前航天器尚未实现真正意义上的自主导航,绝大多数航天器仍然依赖地面跟踪测量系统来完成导航任务。     

月球表面巡视探测GNC技术

嫦娥三号巡视器是中国首个地外天体表面巡视探测器, 其制导、导航及控制 (GNC)技术与地球卫星等航天器完全不同. 探测器实现月表巡视探测需要在地 外天体表面确定自身位置、航向及姿态, 识别周围地形环境并寻找安全路径, 控制巡视器沿规划路径安全行驶等. 本文针对嫦娥三号巡视器月面巡视对GNC系统的 任务要求及工作性能, 对月面自主导航定姿定位、协调运动控制、环境感知、 路径规划、激光探测避障以及地面试验等重要技术环节进行了分析, 研究月面制 导、导航与控制特性并进行实验验证, 进而对巡视器GNC技术进行了模拟仿真.      

我国初具全电推卫星控制能力

<正>经过为期两年科研攻关,近日,中国空间技术研究院502所电推进平台控制系统一体化设计方案新鲜出炉。这标志着我国已经初步掌握电推进卫星GNC(制导、导航与控制)系统设计方法,我国在电推进卫星理论研究与工程设计工作中取得重要进展。据有关专家介绍,与传统的化学推进航天器相比,全电推给航天器的制导、导航与控制技术带来颠覆性改     

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。     

嫦娥一号卫星的制导、导航与控制

嫦娥一号卫星是中国首颗月球卫星。卫星制导、导航与控制(GNC)任务复杂多变,对系统实时性、可靠性和精度要求较高。文章介绍嫦娥一号卫星GNC系统组成、控制方法、系统特点和典型飞行结果。     

嫦娥五号探测器GNC系统设计

为实现我国首次月球样品无人采样返回任务，设计了嫦娥五号(Chang’E 5)探测器制导、导航与控制(GNC)系统.根据任务要求和探测器特点，GNC系统设计分为轨道器GNC子系统、返回器GNC子系统和着上组合体GNC子系统.给出了嫦娥五号探测器GNC系统的架构设计、工作模式以及在轨飞行结果.结果表明，GNC系统设计正确，成功完成了动力下降、起飞上升、交会对接、返回再入等关键动作，实现了月球表面起飞上升、月球轨道交会对接以及携带月壤以近第二宇宙速度二次再入返回的三项首次任务，各项功能性能满足任务要求.     

基于脉冲星和紫外敏感器的自主定轨定姿授时研究

为提高深空探测器的自主导航能力, 利用脉冲星导航的脉冲到达时间和脉冲星 角位置测量值、紫外敏感器中心天体质心相对于探测器的方向矢量和距离测量 值以及紫外敏感器输出的航天器姿态角, 以探测器在惯性坐标系下的位置和速度、 探测器本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态角、星载时钟钟差为系统状态变量, 通过联邦扩展卡尔曼滤波器估计组合导航系统的系统状态, 并利用火星环绕段 轨道数据进行仿真实验. 仿真结果表明, 该组合导航方法能够使火星轨道器 在环绕段飞行中同时进行定轨、定姿和授时, 且具有较高的导航精度和授时能力.      

航天器开普勒轨道和非开普勒轨道的定义、分类及控制

给出了航天器开普勒轨道（KO）和非开普勒轨道（NKO）的来源、定义、分类和特点,阐明了KO和NKO之间的关系,介绍了相关的轨道控制与轨道确定、制导与导航的涵义.     

航天器控制若干技术问题的新进展

航天器姿态和轨道控制技术是航天器研制中的关键技术,对实现复杂航天器的控制以及未来复杂的飞行任务都具有非常重要的作用。文中通过一些飞行实例概述国内外航天器控制技术的发展,论述了航天器控制技术在编队飞行、自主交会与对接和复杂对象控制中的进展。文章通过揭示航天器控制技术领域的研究和发展趋势,为我国航天器制导、导航与控制技术的发展提出建议。     

一种基于火箭视位置与视速度的航天器初轨确定方法

为了充分利用航天器初始轨道确定的信息源,不断完善地面测控系统定轨手段和方法,提出了一种基于火箭视位置与视速度的航天器初始轨道确定方法.首先对火箭视位置与视速度测量弹道的原理进行了分析;然后利用火箭秒节点计算机字(视速度)以及某一点的初始弹道(初始位置矢量、速度矢量),通过对火箭的运动方程进行逐秒积分,以获得每秒的位置矢量和速度矢量,再转换为弹道数据,并利用此数据直接确定航天器初始轨道.最后通过某太阳同步轨道卫星实测数据仿真计算,证明了方法的正确性和可靠性.      

基于VxWorks的小天体撞击任务的星载GNC软件设计

针对小天体撞击任务,应用VxWorks嵌入式实时操作系统,设计小天体高速撞击器的星载GNC软件部分．对星载GNC系统结构进行简要描述;在此基础上,综合考虑小天体撞击任务的实时性要求、不同飞行模式的耦合关系、轨道确定的数学运算量以及对不同敏感器数据采集的周期性控制等多方面因素,对小天体撞击任务进行模块化分解,提出各个任务模块间的同步方式与通信手段;在PC-104嵌入式计算机与dSPACE实时仿真平台的联合环境下,对所设计的星载GNC软件进行仿真验证,结果表明,基于VxWorks嵌入式实时操作系统所设计的小天体撞击GNC软件完全可以满足小天体撞击任务的实时性要求,为撞击任务的顺利进行提供有效的保证．     

地标自主导航的高精度地标库建立方法

利用地标信息的卫星自主导航方法是通过星载光学摄像机实时拍摄地标景象来计算卫星的位置、速度等参数,具有完全自主的特点,并且适用范围广泛,可用于能够周期性获得地面图像的航天器,但受到地标选取方法以及地标库建立策略的制约,影响到导航精度,阻碍了推广使用。针对上述问题,提出了建立全局及高性能的地标库,即采用全球地标控制点选取的原则选取性能优良的全球地标样本,并自动生成全局地标库。通过计算机仿真验证了该方法的有效性,结果表明,使用全球地标控制点选取地标样本,并自动生成全局地标库,可以快速而准确地为航天器进行高精度的自主导航,导航位置误差约为99 m,速度误差约为0.08 m/s。      

月球轨道交会对接任务辅助预报系统设计与验证

针对月球轨道自主交会对接制导、导航与控制(GNC)系统任务特点,设计一种基于人机协同框架的月球轨道自主交会对接过程辅助预报系统.该系统包括利用机器学习方法构建交会对接安全性规则知识库和安全性辅助预报两个部分.首先,在地面半物理仿真试验环境中,对导航监视相机拍摄的图像进行特征提取和匹配,利用图像特征与交会对接偏差组成训练样本对,用决策树方法构建安全性规则知识库.然后,利用安全性规则知识库,根据交会对接飞行过程中监视相机拍摄的当前状态的图像预报交会对接后续过程的安全性,给出成功的概率.通过地面半物理实验表明,该系统能够提升飞行控制过程中的智能化水平,有效协助地面飞行控制人员进行数据监视与任务决策.     

一种基于多终端约束的最优制导方法

在航天器主发动机推力大小不可调的前提下,针对5个终端约束下传统迭代制导小角度修正假设的不足,对一种基于多终端约束的最优制导方法进行了研究。在入轨点轨道坐标系下建立航天器的最优控制模型,对横截条件方程组直接进行迭代求解获得制导角度指令,在此基础上,通过对开关机点进行优化以减小未被满足的终端位置约束的影响;进一步,推导了地心惯性系下等效的5个终端约束,并通过引入权重因子来提高制导方程数值求解的精度。标准条件下的仿真结果表明,所提制导方法与传统迭代制导相比,未被满足的终端位置约束精度提高了1595355m,而其余5个终端约束几乎不受影响;蒙特卡罗打靶仿真结果表明,所提制导方法对航天器初始位置和速度偏差具有一定的适用性。     

空间交会最终平移段控制策略

提出空间交会最终平移段的控制方法,选取追踪航天器的相对位置与姿态角作为控制变量,同步控制追踪航天器的质心运动与姿态运动,修正制导机动执行偏差的影响,使目标航天器保持在光学导航视场范围之内,且满足对接操作对追踪航天器状态的要求。     

X射线脉冲星导航技术研究进展

X射线脉冲星能够为近地轨道、深空和星际空间飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息,实现航天器高精度自主导航和运行管理,有着巨大的发展潜力.本文论述了X射线脉冲星导航技术研究历程;重点研究了X射线脉冲星导航的基本原理、信息处理流程和自主导航算法,进而提出了脉冲星导航的关键技术;分析了国内脉冲星观测研究的基础条件,以及开展X射线脉冲星导航技术研究的必要性和可行性.      

基于X射线脉冲星的深空探测器自主导航方案

X射线脉冲星自主导航系统可以为深空探测器提供位置、速度、时间和姿态等丰富且自主的导航信息,以X射线脉冲星测得的信息作为量测量,结合轨道动力学方程,对航天器的轨道进行自主估计确定。论文阐述了该方案的导航原理,在借鉴现有航天器导航系统的基础上,提出了基于X射线脉冲星导航的方案,介绍了方案的硬件组成、系统结构,并针对方案中导航敏感器多冗余的特征,给出了基于多传感器组合导航技术的结构,最后用仿真资料对方案做了性能概算和精度估计。     

探空火箭定时定点入轨的一种制导控制规律

针对特定探测天体,给出了特殊用途的探空火箭与其实现空间交会的时刻与地点的计算方法.根据特定天体的运行轨道,发射前算出标称交会飞行轨道,装订在箭载计算机内.火箭发射后,利用箭载惯性导航系统确定自身当前的位置与速度,比对标称飞行轨道参数得出飞行偏差,通过控制火箭推力偏斜调整飞行轨道,使探空火箭在交会时刻到达交会点,并在交会时刻相对与惯性空间的速度为0.定义了研究所用的各种坐标系,建立了火箭飞行动力学方程.研究了标称飞行轨道最优交会点选取,交会时间与发射时间计算等问题.给出了发射后动力飞行段的制导控制规律,核心思想是将控制信号分解为时间控制、当地水平面上的海拔高度控制、南北控制与东西控制,通过设置偏置量减小关机后轨道摄动因素引起的漂移.利用计算机数值仿真验证了这种制导控制规律的可行性.     

编队飞行航天器平均轨道根数非线性控制研究

基于非线性动力学模型,研究了环绕编队航天器的相对运动控制问题,介绍了一种基于平均轨道根数的航天器编队飞行非线性闭环控制方法。以航天器在惯性坐标系下位置速度向量误差为输入量,给出了一种全状态反馈控制律,利用Lyapunov方法证明该闭环系统是渐进稳定的;最后利用该方法对一个编队进行控制,仿真结果表明了该控制方法的可行性。     

天问一号火星软着陆制导、导航与控制系统

天问一号火星探测器成功实现了我国首次火星表面软着陆，进入舱制导导航与控制系统(GNC系统)负责在火星进入下降着陆过程实施进入舱的姿态与轨道控制，确保进入舱安全着陆火星表面.介绍了执行天问一号火星EDL任务的GNC系统飞行阶段划分、系统组成、方案架构，以及针对火星EDL任务的特色设计，最后介绍了GNC系统在轨飞行结果.