一种天文/加速度计的HEO卫星自主导航新方法

直接敏感地平是一种典型自主天文导航方法,该方法简单可靠,易于实现,但是由于常用卫星轨道动力学J2模型精度有限,地球敏感器精度较低,因此导航精度不高。加速度计是测量运载体线加速度的常用惯性导航设备,当卫星在轨运行时,星载加速度计能够测量航天器所受发散力。结合这两种方法的特点,提出一种将加速度计和天文相结合的自主天文导航新方法。在常用卫星轨道J2模型基础上,引入大气阻力和太阳光压系数模型作为自主导航系统状态方程的一部分,并建立近地空间环境下星载加速度计的测量模型,将其与直接敏感地平均作为导航系统观测方程。设计基于信息融合的自主导航滤波方法,通过对多种导航模式进行数值仿真及结果分析,结果表明所设计方法提高了系统定位精度74.8%和速度精度86.2%,增强了系统可靠性。     

一种基于加速度计和天文的卫星自主导航新方法

直接敏感地平是一种典型自主天文导航方法,该方法简单可靠,易于实现,但是由于常用卫星轨道动力学J2模型精度有限,地球敏感器精度较低,因此导航精度不高。加速度计是测量运载体线加速度的常用惯性导航设备,当航天器在轨运行时,星载加速度计能够测量航天器所受发散力。结合上述两种方法的特点,提出一种将加速度计和天文相结合的自主天文导航新方法。在常用卫星轨道动力学模型基础上,引入大气阻力和太阳光压系数模型作为自主导航系统状态方程的一部分,并建立近地空间环境下星载加速度计的测量模型,将其与直接敏感地平均作为导航系统观测方程。设计基于信息融合的自主导航滤波方法,通过对多种导航模式进行数值仿真及结果分析,结果表明所设计方法提高了系统定位精度62.8%和速度精度63.9%,增强了系统可靠性。     

基于Unscented Kalman滤波的飞行器天文/地磁自主导航算法研究(英文)

针对地磁场模型精度低而引起的导航精度不高及基于轨道动力学方程的天文导航算法的局限性问题,提出了一种利用天文/地磁信息为观测量的飞行器自主导航方法,并建立了动力学方程,同时推导了观测方程。算法采用星光矢量与地磁矢量的夹角为观测量,采用UKF滤波器估计飞行器的速度和位置,并进行了仿真研究。仿真结果表明,该算法的精度要远高于单纯的地磁导航,滤波的收敛性和稳定性较好,导航误差不随时间累积,有工程应用价值。     

考虑时间相关噪声的火星捕获段天文组合导航

针对火星捕获段高精度实时自主导航的需求,提出一种以火星及太阳为导航目标源的天文光学图像测角和天文光谱测速的组合自主导航滤波方法。针对天文组合导航系统中测量信息包含时间相关测量噪声的问题,首先分析时间相关噪声对状态估计过程的影响,然后建立考虑时间相关噪声的状态方程和量测方程,并分析和推导了改进的卡尔曼滤波器方程。仿真结果显示,同传统方法相比,所提出的滤波方法可将导航精度提高一个数量级,对火星探测器捕获段实时高精度自主导航具有一定的参考意义。     

天文角度辅助的高超声速飞行器多信息融合导航算法

常规惯性/天文组合导航方法难以直接应用于高超声速飞行器机载环境下以载体系为基准进行星光测量的情况,且在可见星只有一颗时无法连续组合。为此,构建了高超声速飞行器惯性/卫星/天文紧组合导航系统方案,通过分析载体系下星光仰角、方位角与惯导误差之间的转换关系,建立了载体系下惯性/天文角度组合模型。理论分析表明,该系统在只有一颗导航星时仍能辅助惯导工作,且可使观测噪声特性保持稳定,从而提高了天文对惯导辅助的连续性和组合滤波估计精度。仿真结果表明,在高超声速飞行器导航系统采用天文角度辅助后,姿态误差较无天文辅助情况的降低60%~70%。     

一种航天飞行器的INS/CNS自主导航方案

传统的天文导航方法由于受水平基准精度的制约,难以进一步提高定位精度。针对INS/CNS组合导航方法对水平基准依赖的问题,提出了一种新颖的基于星光折射技术的INS/CNS自主组合导航方案。将惯性系下的非线性惯导误差传播方程作为系统状态方程,将星敏感器测得姿态和星光折射信息作为量测,采用UKF滤波算法,构成全面最优的INS/CNS组合导航。仿真结果表明,星敏感器精度为3″时,导航系统的定位精度优于200 m,姿态精度优于3″,导航定位精度随所使用的折射星数目增多明显提高,且方案在系统大角度误差条件下仍然适用。     

基于BP神经网络辅助的惯性/天文组合导航方法

针对高动态环境下惯性/天文组合导航精度下降的问题,提出一种基于神经网络辅助的惯性/天文组合导航方法。首先以组合导航滤波估计过程中的增益矩阵和动态环境下的惯性器件量测信息构建特征向量;然后,采用导航估计误差对BP神经网络进行训练;最后,利用BP神经网络的输出结果辅助修正组合导航系统。计算机仿真验证结果表明,相较于传统方法,基于BP神经网络辅助的惯性/天文组合导航系统的姿态估计精度可提高30%以上,在动态环境下姿态精度可以保持在5″(1σ)以内。所提出的方法对提高动态环境下惯性/天文组合导航系统的精度和适应能力具有一定的参考价值。     

地磁/天文自主导航算法

针对基于轨道动力学方程的天文导航方法的局限性问题,提出了一种利用天文/地磁信息进行飞行器自主导航的方法,建立了适用于一般飞行器的动力学方程,并推导了系统的观测方程。算法采用地磁/星光矢量间的夹角作为观测值,采用扩展卡尔曼滤波方法估计飞行器的位置和速度。应用奇异值分解的方法对系统的可观测性与可观测度进行了分析。仿真结果表明该算法的导航精度较高,滤波收敛性、稳定性较好,误差不随时间累积。可用于惯性导航的辅助导航或对导航精度要求一般的场合。     

基于地平仪两轴姿态测量的卫星自主相对导航

针对近圆轨道编队卫星,提出了一种仅需要地平仪两轴姿态测量的卫星自主相对导航滤波方法,利用星间相对测量与偏航姿态运动的弱相关性,解决了欠偏航量测下的相对位置估计以及三轴姿态确定问题。可观性分析证明了该方法的可行性及对编队构型参数的适应性。大量仿真表明,对于绕飞和伴飞构型,该方法均收敛,性能特性与理论分析一致。针对当前典型的地平仪与星间测量能力,相对位置滤波精度均优于2 m(3σ),绕飞构型偏航姿态精度优于1.0°(3σ),伴飞构型偏航姿态精度优于0.5°(3σ),是对中等精度编队卫星配置简化的有益探索。     

基于扩展卡尔曼滤波的X射线脉冲星相对导航方法

X射线脉冲星作为一种天然时间基准,具有良好的周期稳定性,在深空探测航天器自主导航方面具有重要的应用前景。针对绝对导航的整周模糊度求解问题和相对导航的预报相位、标称轨道存储问题,提出了一种改进的相对导航方法,将前一时刻的航天器位置作为相对导航基准,建立航天器轨道动力学模型,采用扩展卡尔曼滤波算法,确定航天器的位置。最后,进行了数学仿真研究,仿真结果表明:脉冲星相对导航改进方案的导航精度达到1 km,滤波器一致渐进稳定,能够快速抑制初始误差和轨道根数的干扰,验证了导航方案的正确性和可行性。     

木卫停泊轨道间低耗能小推力转移轨道设计方法研究

对木卫停泊轨道间的低耗能小推力转移轨道设计方法进行了研究,提出基于"类halo轨道截面"法的低耗能转移轨道参数化方法和基于配点法的多体Lambert问题求解算法,并利用全局优化算法得出了燃耗最少的初步优化结果;利用多体同伦法和固定近心点高度的多圈转移控制律得到了各段小推力转移轨道的有效设计结果.所提方法同样适用于其他天体间的转移轨道设计,为多体环境下低耗能小推力转移轨道提出了新的设计思路和方法.     

适于卫星自主定轨的SINS/GPS组合导航系统

SINS/GPS组合导航系统能够实现在高动态和强电干扰的环境下实时、高精度的导航定位,为卫星的自主定轨提供了一种切实可行的方法。通常的SINS/GPS组合导航算法都是在地理坐标系下建立的。针对卫星的特点,着重研究了基于地心惯性坐标系,位置、速度组合模式的SINS/GPS组合导航算法,建立了该坐标系下组合导航系统的状态方程和量测方程,并进行了相关数学仿真验证。仿真结果表明,该SINS/GPS组合导航系统能较准确地给出卫星的位置、速度信息,适于卫星的自主定轨。     

移动卫星天线指向矢量辅助组合导航系统方法

为弥补SINS/GPS组合导航系统姿态角误差可观测性差的缺陷,根据移动载体卫星天线捕获通信卫星后通过自搜索实现精确对准卫星的原理,提出增加天线指向矢量信息(SAPV)的方位角和俯仰角信息为系统观测量,用于辅助SINS/GPS组合导航系统.根据SINS/GPS组合导航系统数学模型对姿态角误差的可观测性进行了分析,并对SAPV与组合导航误差之间的关系进行了详细数学推导,证明了SAPV辅助组合导航系统的可行性,建立了SAPV辅助组合导航系统的数学模型,采用联邦滤波器进行数据融合.仿真结果表明,SINS/GPS组合导航系统通过SAPV辅助,方位角误差估计精度提高了1个数量级,小于10′,水平姿态角误差估计精度略有提高,小于2 ′.该方法充分利用了天线通过自搜索完成精确对准卫星后的高精度指向信息,无须添加任何硬件系统,通过简单可靠的信息融合算法即可达到提高载体姿态测量精度的目的.     

抗差自适应模型预测滤波及其在组合导航中的应用

为了提高捷联惯导(SINS)/天文导航(CNS)/合成孔径雷达(SAR)组合导航系统的定位精度,在吸收模型预测滤波和抗差自适应滤波算法优点的基础上,提出了一种新的抗差自适应模型预测滤波算法。该算法首先利用模型预测滤波估计出系统模型误差,并对其进行实时修正,以抑制系统模型误差对导航解算精度的影响;然后利用抗差自适应因子控制观测异常,抑制观测噪声对导航解算精度的影响。将提出的算法应用于SINS/CNS/SAR组合导航系统进行仿真验证,并与抗差自适应滤波进行比较,结果表明,提出的算法得到的姿态误差、速度误差和位置误差分别在[0.2,0.2]、[0.3m/s,0.3m/s]和[6 m,6 m]以内,滤波性能明显优于抗差自适应滤波算法,说明该算法能有效抑制系统模型误差及观测异常对导航解的影响,提高组合导航的解算精度。     

Design of low-energy transfer from lunar orbit to asteroid in the Sun-Earth-Moon system

Asteroid exploration trajectories which start from a lunar orbit are investigated in this work.It is assumed that the probe departs from lunar orbit and returns to the vicinity of Earth,then escapes from the Earth by performing a perigee maneuver.A low-energy transfer in Sun-EarthMoon system is adopted.First,the feasible region of lowenergy transfer from lunar orbit to perigee within 5 000 km height above the Earth surface in Sun-Earth-Moon system is calculated and analyzed.Three transfer types are found,i.e.,large maneuver and fast transfers,small maneuver and fast transfers,and disordered and slow transfers.Most of feasibility trajectories belong to the first two types.Then,the lowenergy trajectory leg from lunar orbit to perigee and a heliocentric trajectory leg from perigee to asteroid are patched by a perigee maneuver.The optimal full-transfer trajectory is obtained by exploiting the differential evolution algorithm.Finally,taking 4179 Toutatis asteroid as the target,some low-energy transfer trajectories are obtained and analyzed.     

基于伪距差分的三星无源北斗/SINS组合导航系统

由于北斗卫星所处轨道远离地球,无源北斗接收机输出伪距的误差较大,影响了与惯导进行伪距组合时的滤波定位效果。考虑到无源北斗伪距误差建模复杂,且Kalman滤波要求误差模型准确,作者研究了采用单机伪距差分的方法减少滤波量测值误差,通过理论分析建立了基于伪距差分的三星无源北斗/SINS组合模型。跑车试验表明,该组合导航算法可有效提高系统的定位精度,并具有滤波参数调整简单的优点。     

XNAV/UVNAV/SINS组合导航在航天器轨道机动中的应用

针对X射线脉冲星导航在航天器轨道机动过程中精度不高甚至发散的问题,提出一种将X射线脉冲星导航结合惯性导航和紫外敏感器的组合导航方法。以航天器在惯性系中的位置、速度、姿态四元数和惯性导航设备误差作为系统状态变量,用X射线探测器测量X射线脉冲到达时间,用紫外敏感器测量中心天体质心相对于航天器的方向矢量和距离以及航天器在惯性系中的姿态四元数,用扩展卡尔曼滤波器估计组合导航系统状态。仿真结果验证了该组合导航方法的可行性,能够解决轨道机动中X射线脉冲星单独导航的误差过大(位置误差达107m)问题,且该组合导航具有较高的导航精度,在轨道机动前、机动中和机动后导航位置误差均在100 m以内。     

巡航飞行器惯性/地磁组合导航方法的误差(英文)

地磁辅助导航是组合导航技术的新方向,而导航误差的研究是分析惯性/地磁组合导航性能的重要内容之一。以等高或近似等高飞行的巡航飞行器为应用对象,建立了惯性/地磁组合导航系统的卡尔曼滤波器;通过仿真结果并结合理论分析重点讨论了校正方式、惯性器件测量精度、地磁场特征与磁测误差、基准图的网格间距、滤波周期、初始位置与初始速度误差等各种因素对位置和速度等导航误差的影响。     

INS/Doppler组合导航中安装偏角的在线估计

INS和Doppler在载机上安装时存在安装偏角,会对组合导航精度产生影响.为此,提出了一种新的INS/Doppler组合导航算法,将标度因数和安装偏角作为状态变量进行估计.在分析Doppler输出误差模型的基础上,详细推导了组合导航算法模型,并进行了仿真.仿真结果表明,在载机正常飞行并适当机动的情况下,该组合导航算法能够准确对标度因数和安装偏角进行估计,标度因数的估计精度为0.4‰,安装偏角的估计精度为0.1′-0.3′,从而提高了导航精度.