天文光谱测速导航技术与应用思考

随着我国航天技术的发展,航天器对导航系统的精度、自主性、实时性等综合性能需求越来越高。天文光谱测速导航作为近年来提出的新型自主导航技术,具有直接获取航天器速度信息且实时性好、测速精度高等特点,具有广阔的应用前景。在梳理近年来天文光谱测速导航研究进展的基础上,结合天文光谱测速导航的特点,深入思考并提出了若干天文光谱测速导航技术应用组合。基于当前航天任务的需求和研究的难点,结合国内外技术趋势和我国实际工程需求,指出了天文光谱测速导航技术未来的重点研究方向及内容。天文光谱测速导航为我国航天探测工程任务导航提供了一条崭新的技术途径,对天文光谱测速导航技术的持续研究将有力促进我国航天领域导航技术的发展,提升天文导航理论研究能力和工程研制技术水平。     

载人火星探测任务方案构想

提出了一种我国2030年代载人火星探测任务实施方案的构想。通过分批式提前部署方式,分别按货运、载人两个阶段实施对我国载人登火并对火星探测。其中,载人阶段在返回地球时可利用金星借力的方式以缩短整个载人任务周期。利用重型运载和长征五号运载火箭,分别在海南文昌和西昌卫星发射中心发射,实现2030年代的我国载人火星探测。     

面向小推力变轨的天文组合自主导航方法

针对小行星探测任务对导航系统自主性强、实时性高的需求,研究了一种面向小推力变轨的天文组合自主导航方法。根据工程实践分析并建立了电推进变轨过程中的动力学模型,给出了天文测角测速组合的小行星探测自主导航方案。为克服小行星探测器推力的不确定性,提出了采用自适应交互式多模型无迹卡尔曼滤波(AIMM-UKF)算法,以较少的模型个数实现对导航系统状态的覆盖,克服了模型集合先验信息不准确对导航精度的影响,提高了组合导航系统的鲁棒性和抗干扰能力。最后,通过数学仿真对组合导航算法的性能进行了验证,结果表明本文提出的组合导航方法估计精度更高、计算消耗更小,可满足小行星探测工程任务对导航系统自主性、实时性和高精度的需求。     

基于自适应滤波的光谱畸变误差抑制方法

为降低天文光谱畸变误差对多普勒测速导航精度的影响,设计结合非线性Sage-Husa噪声估计器及抗差扩展卡尔曼滤波器(Robust Extend Kalman Filter,REKF)的自适应滤波算法。当系统模型可靠时,抗差滤波能够通过预测残差判断异常量测并降低其权重;当系统模型噪声先验信息不准确时,通过Sage-Husa噪声估计器估计系统噪声协方差阵Q阵,以保证抗差滤波的效果。此外,结合多普勒测速导航及X射线脉冲星导航进行组合导航,以提高位置估计精度。仿真结果表明,该算法能够在系统模型噪声先验信息不准确的情况下有效控制光谱畸变造成的量测误差对导航精度的影响。     

天文导航在航天工程应用中的若干问题及进展

导航作为航天器核心技术之一,是确保航天任务成败的关键。天文导航以其连续性好、自主性强、实时性优、导航精度高等优点,逐渐成为航天器导航的有效手段。基于国内外天文导航理论及应用的现状,结合近地卫星、深空探测任务特点,探讨了天文导航在航天工程应用中的理论问题与技术问题,如导航目标源观测量精确建模问题、高精度感知与检测问题等,并对新型天文导航技术进行了展望,指出了未来天文导航理论与技术的发展方向,为解决航天工程中的连续自主、实时高精度导航问题提供了有效途径,为学术与工程界进一步深入开展航天器天文导航理论与技术研究提供参考。     

月基磁悬浮旋转抛射返回系统新技术

月球资源开发与利用是深空探测由“探”到“用”发展的内生源动力,是全球深空探测的热点研究领域。月球具有丰富的³He、钛、稀土金属等珍稀资源,受限于传统月地返回方式技术复杂度高、规模庞大、重复性差、经济性差等因素,各国对月球资源开发与运返利用均停留在“探”的阶段,对如何实现高效的“用”,尚未形成经济可行的技术方案。基于现有的磁悬浮和旋转飞轮技术,提出以磁悬浮旋转抛射为核心的月地返回系统新技术。该技术充分利用月表低温、弱重力等环境因素,实现月球资源可被重复、低成本、高频次地运返地球。     

工程光学监测技术在火星探测中的应用

在深空探测活动中,利用工程光学监测技术可以对探测器的工程状态进行直观、有效地监测,辅助地面系统确认探测器状态。利用监测相机对地球、月球、火星、小行星等天体进行成像,可有效提升公众对任务的认知度和参与度。结合国际深空探测任务,文章对"火星快车"、"好奇号"等火星探测活动中的工程监测任务及相机进行了分析,并对以"嫦娥二号"卫星为代表的中国深空探测活动中的工程监测子系统进行了探讨。围绕中国首次火星探测任务,进行工程监测任务设计,利用固定安装式、可分离式两种监测相机实现各监测任务,并对监测效果进行分析。文章的工作可应用于中国首次火星探测任务。     

深空测角测速组合导航系统时间配准方法研究

深空测角测速组合导航系统通过测角信息与测速信息融合,获取探测器位置、速度等参数,具有连续、自主、实时、高精度的优点。在深空测角测速组合导航系统多源信息融合过程中,要求各敏感器数据必须是统一时间基准。基于天文测角测速组合导航系统基本原理,阐述了在实际系统中,测角敏感器、测速敏感器由于时间基准误差、采样周期不一致、数据传输时延等都会造成时间不同步,而时间误差对位置和速度测量信息会带来很大的影响。本文分析时间误差在深空测角测速组合导航系统位置估计和速度估计中的作用机理,研究基于内插外推方法的时间配准方法,实现了测角敏感器与测速敏感器量测信息的同步。数学仿真结果表明,内插外推时间配准算法可有效抑制时间误差,提高深空测角测速组合导航系统导航精度。     

深空天文测角测速组合自主导航可观测性分析方法

导航系统的性能与其可观测性密切相关,而可观测矩阵是分析导航系统可观测性能的重要依据。本文基于分段线性定常系统(PWCS)方法给出导航系统的可观测矩阵,进而针对测角测速组合导航系统开展可观测性分析。通过分析测角测速组合导航系统可观测矩阵的秩和条件数,得到导航系统的可观测性和整体可观测度,并研究导航系统的可观测阶数对导航系统的影响;同时基于奇异值分解(SVD)方法给出测角测速组合导航系统各个状态分量的可观测性分析方法。最后,以小行星探测工程任务巡航段为背景,系统地给出了不同量测模型的导航系统可观测性结果,分析了不同可观测性分析方法对导航系统可观测性刻画的适用性。本文所提出的可观测性分析方法,对导航系统可观测性分析具有很好的参考性,可为组合导航系统量测模型的优选提供参考,具有良好的理论和应用价值。     

基于脉冲初值的小推力转移轨道优化研究

针对小推力转移轨道优化过程往往忽略初值多样性的现状,研究了基于不同脉冲初值的小推力转移轨道优化问题。基于直接法的离散思想建立了小推力转移轨道优化模型,提出了基于粒子群和序列二次规划的组合优化算法,以地球1∶1共振近地小行星2016HO3交会任务为例,将3种典型的脉冲轨道作为初值设计了燃料最优小推力转移轨道。仿真结果表明:3种初值轨道优化得到了2个小推力转移发射窗口,两者燃料消耗差距不超过6%。不同的初值对小推力轨道的整体性能指标影响较小,但开关机时刻和推力方向的变化会产生较大差异,从而得到不同的最优控制曲线。