基于IMM-UKF的航天器相对位姿确定算法

在航天器相对导航过程中,相对距离测量信息容易受到干扰,测量误差有较大的不确定性,通常基于单一模型的滤波算法无法对噪声进行辨识,很难获得精确的导航结果。针对应用Clohessy-Wiltshire(C-W)方程受到圆轨道假设的限制问题,研究了建立在惯性坐标系下的近距离相对运动方程(Lawden方程),建立了基于这两个方程的模型集。根据导航系统测量敏感器的特点,设计基于Rodrigues参数及无迹卡尔曼滤波(UKF)的交互式多模型(IMM)视觉相对位姿动态估计算法(IMM-UKF),在保证计算效率的前提下,确保相对轨道姿态确定的稳定性和精确性。数值仿真验证了算法的有效性和先进性。     

四种卡尔曼滤波器在仅视线测量相对导航中的性能比较

针对航天器交会时在仅有视线测量条件下的相对导航问题,比较了扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)、无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)及平方根形式的卡尔曼滤波(square-root extended Kalman filter,SREKF以及square-root unscented Kalman filter,SRUKF)在这一导航问题中的性能.介绍了仅有视线测量条件下相对导航的特点以及上述4种卡尔曼滤波算法;建立了追踪航天器和目标航天器间相对动力学方程以及基于仅视线测量相对导航时的量测方程;结合3种典型的相对运动形式进行了数值仿真.仿真结果表明:在仅视线测量相对导航中,4种算法的精度处于同一量级;UKF估计相对距离的精度稍优于EKF;SREKF和SRUKF估计相对距离的精度稍优于EKF和UKF.     

四种卡尔曼滤波器在仅视线测量相对导航中的性能比较

针对航天器交会时在仅有视线测量条件下的相对导航问题,比较了扩展卡尔曼滤波（extended Kalman filter,EKF）、无迹卡尔曼滤波（unscented Kalman filter,UKF）及平方根形式的卡尔曼滤波（square-root extended Kalman filter,SREKF以及square-root unscented Kalman filter,SRUKF）在这一导航问题中的性能.介绍了仅有视线测量条件下相对导航的特点以及上述4种卡尔曼滤波算法;建立了追踪航天器和目标航天器间相对动力学方程以及基于仅视线测量相对导航时的量测方程;结合3种典型的相对运动形式进行了数值仿真.仿真结果表明：在仅视线测量相对导航中,4种算法的精度处于同一量级;UKF估计相对距离的精度稍优于EKF;SREKF和SRUKF估计相对距离的精度稍优于EKF和UKF.     

EKF/UKF在编队飞行卫星GPS相对导航中的应用

 　航天器编队飞行协调工作,必须精确确定各航天器的相对位置和相对速度,即进行编队飞行相对导航。将扩展卡尔曼滤波(EKF,extended Kalman filter)和非线性滤波unscented Kalman filter(UKF)算法同时应用于编队飞行卫星的载波相位差分GPS相对导航。EKF与UKF算法原理不同,UKF算法的精度比EKF的精度高。在实际应用中,可以将两种算法组成互为备份的相对导航滤波器,这样可提高滤波系统冗余性能。     

基于改进型两步卡尔曼滤波的相对导航方法

采用Clohessy-Wiltshire(C-W)方程描述的近圆轨道相对导航状态方程具有线性的形式,而以航天器相对距离和相对方位作为测量信息的观测方程是非线性的,针对近圆轨道航天器相对导航的这一特点,给出了采用两步卡尔曼滤波(Two Step Kalman Filtering,TSF)的相对导航算法,并且利用Unscented变换方法,解决了两步卡尔曼滤波的状态初值确定问题,给出了TSF的完整算法.数值仿真比较了TSF和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filtering,EKF)、无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filtering,UKF)等算法的性能,验证了采用TSF方法实现相对导航的可行性和有效性.     

航天器轨道机动过程中的自主导航方法

典型的航天器自主天文导航方法利用地球敏感器和星敏感器的观测信息,根据轨道动力学模型和测量信息,采用扩展卡尔曼滤波算法（EKF）估计航天器位置矢量。为了在航天器轨道机动过程中减小滤波器的估计误差,设计了用于航天器自主导航的自适应鲁棒扩展卡尔曼滤波（AREKF）算法。仿真结果表明,采用AREKF算法能够有效地减小推力不确定性的不利影响,在不增加导航敏感器的前提下改善系统的导航性能,取得优于传统EKF算法和自适应扩展卡尔曼滤波（AEKF）的估计精度。     

星间测量自主导航改进状态相关黎卡提方程滤波

针对分布式卫星系统的应用需求,研究基于星间相对位置矢量测量的自主导航滤波算法问题。为了解决扩展卡尔曼滤波(EKF)对能观度不敏感的问题,提高滤波精度,减少计算量,推导了基于状态相关黎卡提方程滤波(SDREF)的导航算法,并定义了一种新的在线反映能观性程度的特征量,提出了基于该特征量对滤波增益阵进行在线调整的方法,构成改进的状态相关黎卡提方程滤波(MSDREF)。数学仿真表明,MSDREF的计算量约为EKF的13%,稳态误差约为EKF的21%。     

发射系下的SINS/CNS/GNSS组合导航UKF滤波算法

弹载系统的组合导航系统模型常建立在发射惯性坐标系下,且捷联惯性/天文导航/卫星导航（SINS/CNS/GNSS）是一种目前研究较多的组合模式。该组合导航系统的状态方程具有强非线性的特点,常用的滤波方法为扩展卡尔曼滤波（EKF）。为了提高组合导航系统的精度及可靠性,对该组合导航系统的无迹卡尔曼滤波（UKF）模型进行了设计,直接将姿态、位置与速度参数作为状态的一部分,利用CNS及GNSS提供的姿态与位置构成量测方程,并详细给出了姿态样本点的生成、均值及方差的生成过程。仿真结果表明,相对于EKF算法,采用UKF算法后各导航参数的精度可提高约20%~30%,并且系统的实时性也可以得到保证。     

基于视线测量和轨道预报高轨非合作目标相对导航方法

对于非合作目标,由于中远距离星上相对测量手段有限,大多情况仅能获得视线角信息.仅视线测量相对导航方法在GEO轨道条件下滤波精度低、可观测性差.提出一种基于星间视线方位测量和轨道预报信息结合的非合作目标相对导航方法.建立基于星间相对运动模型的状态方程和基于星间视线测量和轨道预报信息的观测方程,分别选取了扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波两种方法,仿真分析了轨道预报信息精度和滤波方法对导航精度的影响.     

基于改进预测滤波的小天体精确着陆自主导航方法研究

针对小天体形状不规则、质量不均匀导致模型建立不准确的问题,研究基于改进的预测滤波实现自主着陆过程中精确导航的关键技术。在导航算法设计中,首先建立了小天体引力场模型,并建立了导航系统运动学模型,然后建立了基于惯性测量单元、光学相机及测速敏感器多信息融合的测量模型,结合扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter, EKF)算法对非线性预测滤波(Nonlinear Predictive Filter, NPF)算法进行改进,在该导航算法下,对系统的可观性进行了分析。仿真结果表明:在引力不确定性引起的模型不准确度下,该方法可实时估计模型误差,在与EKF导航精度比较的基础上验证了改进的NPF算法的有效性和精确性。     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

给出了地心引力场中受控航天器相对目标航天器运动的推力加速度随时间线性变化时Hill方程的解析解，根据Hill方程导出了受控航天器相对目标航天器运动的比动能方程，并讨论了比动能方程在上述两天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

基于数学形态学的空间飞行器特征提取算法

在基于机器视觉的空间飞行器相对定姿研究中,特征提取算法是相对定姿的基础。提出了基于数学形态学的空间飞行器特征提取算法,该算法有机地融入了空间飞行器的姿轨信息,实现了特征提取中结构元素的动态重构。仿真结果表明,该算法是解决空间飞行器特征提取的一种有效方法,尤其是结构元素的动态选取思路在相关研究领域也具有一定的参考价值。     

日心悬浮轨道混合推进航天器编队构型保持研究

针对混合推进航天器编队日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究.首先推导出在日心悬浮轨道附近的航天器编队相对运动方程,考虑到航天器间距离变化值较小且航天器间距离与航天器到太阳的距离的比值为小量,将其在悬浮轨道附近线性化.基于该线性化方程,设计了一种LQR编队控制方式,该控制方式可通过调节太阳帆的姿态及航天器间库仑力的大小对编队构型进行改变或保持,具有响应速度快和控制简单的特点.最后对控制律进行数值仿真,表明该控制方法能实现编队.     

航天器双主动交会策略研究

从理论上分析了共面近地圆轨道上的航天器的远程双主动交会的问题.根据轨道动力学基本原理,导出各种情况下特征速度的解析解,为航天器变轨时的燃料消耗分析提供了依据.进一步探讨了航天器轨道转移过程中的时间策略,以保证在不同轨道上运行的航天器在同一时刻、同一空间位置交会.上述理论分析的仿真计算结果表明,双主动交会总特征速度和过程耗时都低于主被动交会情形,单星的燃料消耗大大降低,对大范围快速变轨,优势更加明显.     

基于螺旋伴飞式航天器交会控制技术

首次提出以螺旋伴飞式实现航天器交会的思路.在两航天器符合绕飞条件的前提下,从相对运动的Hill方程出发,首先推导出实现螺旋伴飞式交会的相对位置反馈控制律,这种相对位置反馈控制表明,航天器在交会过程中可以在只有相对位置测量条件下进行工作,因而具有一定的工程指导意义;进而,对螺旋伴飞式交会控制律的特点进行了分析,同时给出了稳定性分析与能量估算,分析表明这种交会控制技术,其控制具有较好的稳定性,且消耗能量较小;最后,通过一个空间圆绕飞轨道的伴星回收实例,给出了控制加速度的特性图和螺线回收轨迹图.仿真结果证明,伴星螺线回收轨道是可行的,并且具有优良的特性.      

基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨

提出基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法,利用2005-12-09—10两颗GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星的GPS（Global Positioning System）实测数据进行实时相对定轨试验计算,采用JPL（Jet Propulsion Laboratory）轨道对试验结果外部检核,结果表明:①自适应滤波相对定轨通过自适应因子,可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息,其相对定轨结果精度优于Kalman滤波相对定轨结果;②自适应滤波相对定轨结果随着星间基线缩短而精度提高;③两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行自适应滤波相对定轨,可以得到精度优于6cm的星间基线。     

一种新的星载GPS定轨滤波算法

针对传统EKF(Extended Kalman Filtering)算法应用于星载GPS(Global Positioning System)低轨卫星定轨时系统噪声方差初值不易确定的问题,提出了一种新的定轨滤波算法.该算法在非线性方程线性化过程中,在前一时刻滤波估值点进行线性化,从而得到扰动方程,并将该扰动方程引入到传统EKF进行滤波处理.该算法与传统EKF分别应用在星载GPS低轨卫星的定轨中,通过比较,结果表明改进的算法在一定程度上抑制了由于系统噪声方差阵选取偏差较大而引起的滤波发散现象,且对于系统噪声方差的初值选取有较强的鲁棒性.      

对空间多目标多次接近的轨道设计

基于单航天器对空间多目标单次接近轨道设计的研究结果, 讨论了单航天器对空间 多目标多次接近的轨道设计问题. 提出了接近指标用于设计能多次接近多个空间目标的航天器轨道;以二体接近轨道为基础, 给出了接近轨道解空间的求取方法; 利用三种轨道调整方法构造了三种复杂度不同的新解并产生算子, 分析了它们的解空间和最优解分布, 采用改进的模拟退火算法求解出最优接近轨道. 仿真实验验证了轨道设计算法的正确性.      

低轨飞行器利用GPS定轨的算法研究

详细讨论了低轨飞行器利用ＧＰＳ系统定轨的原理和方法。分析了低轨飞行器选星时应考虑的问题,并根据导航星及用户模型进行了选星试验;探讨了利用最小二乘法进行解算定轨;详细分析了卡尔曼滤波算法,针对低轨飞行器提出了一个九状态卡尔曼滤波模型,并在此基础上进行了仿真模拟计算。另外,根据用户对电源能量和可靠性的特殊要求,提出了一种比较实用的定轨方法。仿真结果表明,提出的方法在精度上满足用户的要求,适合于工程实际应用。