深空探测天文测速导航多矢量融合机理与估计方法
发布时间：2021-06-28 21:49
深空探测是当今世界航天活动的重要领域之一,是一个国家综合国力和创新能力的集中体现。深空探测存在较大的技术风险,与近地空间任务相比,深空探测具有器地通信时延大、飞行环境未知因素多、制动捕获机会唯一、器上操作自主性要求高等特点。因此,连续、实时、高精度的导航成为了深空探测任务实施过程中必须要解决的关键技术之一。本论文以我国即将实施的首次自主火星全球遥感与区域巡视任务为工程背景,围绕近年来新提出的天文测速导航方法,从导航原理、系统建模、目标源遴选、速度矢量融合、误差分析、状态估计等方面开展系统研究。具体包括以下几方面:基于光的多普勒效应,建立天文测速导航系统观测几何模型,给出不依赖轨道动力学时的探测器速度矢量计算方法;为进一步提升导航精度,建立天文测速自主导航系统轨道动力学模型,分析模型误差特性及其对测速导航系统的影响;基于可观测性阶数和可观测矩阵条件数两种方法,对天文测速导航的可观测性进行分析与评价。基于云南天文台新真空太阳望远镜的实测数据,建立太阳全球性活动对特征谱线频率影响的模型,分析太阳源端不稳定性对测速导航性能的影响。基于地基光学望远镜数据,以视向速度稳定性为评价指标,给出7颗视向...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
光栅光谱仪光路图
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-6-图1-2二维光谱图Fig.1-22-Dspectrogram光谱仪的主色散元件为阶梯光栅，为光谱仪提供高达(5~15)×104的光谱仪分辨率，横向色散元件对系统分辨率没有贡献，它只是将主色散元件在色散方向重叠在一起的光谱在另一方向色散开，形成交叉色散的二维光谱。对谱线所在的像素计算光强(以光子为单位)，模拟出谱线线型并计算其偏移量，然后对所有谱线进行加权计算后平均得到视向速度。该方法的测量精度可在较低的信噪比情况下达1m/s，但它是经过长时间的积分来计算累计光子数并消除随机误差来实现的，积分时间至少在半小时以上。(2)傅里叶变换法迈克尔逊干涉仪是典型的基于傅里叶变换的双光束干涉仪，其频移监测原理是利用极窄工作谱段内的单根谱线，测量其形成的干涉条纹的相位变化，再转换成速度变化量。根据迈克尔逊干涉仪的原理，入射光束在分束器的分解面发生透射与反射，在出射空间发生干涉，经物镜成像至探测面。这也限制了入射光的数值孔径，使得傅里叶干涉仪光通量大的优点无法体现出来。但可以通过光程差补偿原理实现非零光程差的补偿，增大视场角。(3)空间外差法空间外差法频移测量基于光谱信号在频域的移动导致空域相移的特性。干涉光谱仪将带通波段内所有频率的光谱信号以干涉条纹的形式成像在像面上，若光谱发生频移，条纹将向临近级次移动，通过条纹相位移动可计算得到频率的变化[53]。空间外差法光谱仪采用衍射光栅进行分光，使出射光线之间产生干涉效应，并在后端的光学探测器上记录所形成的干涉条纹。采用傅里叶变换对不同位置干涉条纹进行处理后，可以得到入射光源的光谱曲线。基于空间外差光法的光谱仪具有较高的光谱分辨率，通常用于光谱分析应用中。对单根或多根谱线进行干涉得到干涉
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-10-型特征谱线的致宽效应，分析太阳与恒星活动对视向速度测量精度与稳定性的影响，建立测速导航系统量测误差的数学模型，评估各类误差源对测速导航系统性能的影响。(3)深空天文测速导航目标遴选与速度矢量融合从导航源几何分布的角度提出优选准则与方法，研究多星矢量的相关性与正交性。考察在源端误差一定的情况下，视向速度矢量正交程度对矢量合成误差的影响，以及观测几何构型一定的情况下，不同源端误差对速度矢量合成的影响。建立基于几何构型与目标源误差的统一量化评价指标，为不同飞行条件下的测速导航源选取提供依据。(4)深空天文测速导航系统状态估计分析速度量测量的引入对导航系统状态估计精度、实时性的影响，揭示“速度”量对完善导航系统信息完备性的物理意义。借鉴可观测性等概念，讨论导航系统信息完备性问题。针对速度量测量误差特性，设计有效的导航状态估计滤波算法。(5)测速导航系统地面半物理仿真基于动力学仿真机实时仿真平台搭建深空探测器动力学仿真环境，开展地面半物理仿真实验，对测速导航精度、算法效率、实时性等进行分析与评价，验证测速导航方法的有效性及系统方案设计的正确性。结合上述研究内容，本论文各章节内容安排及联系如图1-3所示。图1-3论文主要研究内容及章节安排Fig.1-3Contentsandorganizationchartofthisdissertation
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国深空探测领域发展及展望[J]. 叶培建,邹乐洋,王大轶,彭兢,张熇. 国际太空. 2018(10)
[2]基于多普勒非对称空间外差光谱技术的多普勒测速仿真[J]. 况银丽,方亮,彭翔,程欣,张辉,刘恩海. 物理学报. 2018(14)
[3]基于X射线脉冲星导航试验卫星观测数据的到达时间估计[J]. 林晴晴,帅平,黄良伟,张新源,陈绍龙,吴耀军,贝晓敏,蒙静,陈强,张倩,张恒彬. 中国空间科学技术. 2018(01)
[4]基于双测量模型的多普勒测速及其组合导航[J]. 康志伟,徐星满,刘劲,李娜. 宇航学报. 2017(09)
[5]光谱红移/SINS自主组合导航方法[J]. 高朝晖,慕德俊,魏文辉,高社生,张晶. 弹箭与制导学报. 2017(04)
[6]深空组合导航中天文测速观测研究[J]. 宁宗军,李东,戴煜. 深空探测学报. 2016(03)
[7]基于测速测角敏感器的火星探测器自主导航方法研究[J]. 刘瑞霞,张剑桥. 深空探测学报. 2016(03)
[8]火星探测发展历程与未来展望[J]. 于登云,孙泽洲,孟林智,石东. 深空探测学报. 2016(02)
[9]基于小波分析和密度估计的红移测速导航研究[J]. 王永,赵剡,杨奎. 航空兵器. 2014(06)
[10]火星引力捕获动力学与动态误差分析[J]. 方宝东,吴美平,张伟. 力学学报. 2015(01)
博士论文
[1]基于X射线脉冲星的航天器自主导航方法研究[D]. 刘劲.华中科技大学 2011
[2]深空自主导航方法研究及在小天体探测中的应用[D]. 常晓华.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]测速测角组合自主导航性能评估研究[D]. 唐鹏.电子科技大学 2016
本文编号：3255105
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
光栅光谱仪光路图
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-6-图1-2二维光谱图Fig.1-22-Dspectrogram光谱仪的主色散元件为阶梯光栅，为光谱仪提供高达(5~15)×104的光谱仪分辨率，横向色散元件对系统分辨率没有贡献，它只是将主色散元件在色散方向重叠在一起的光谱在另一方向色散开，形成交叉色散的二维光谱。对谱线所在的像素计算光强(以光子为单位)，模拟出谱线线型并计算其偏移量，然后对所有谱线进行加权计算后平均得到视向速度。该方法的测量精度可在较低的信噪比情况下达1m/s，但它是经过长时间的积分来计算累计光子数并消除随机误差来实现的，积分时间至少在半小时以上。(2)傅里叶变换法迈克尔逊干涉仪是典型的基于傅里叶变换的双光束干涉仪，其频移监测原理是利用极窄工作谱段内的单根谱线，测量其形成的干涉条纹的相位变化，再转换成速度变化量。根据迈克尔逊干涉仪的原理，入射光束在分束器的分解面发生透射与反射，在出射空间发生干涉，经物镜成像至探测面。这也限制了入射光的数值孔径，使得傅里叶干涉仪光通量大的优点无法体现出来。但可以通过光程差补偿原理实现非零光程差的补偿，增大视场角。(3)空间外差法空间外差法频移测量基于光谱信号在频域的移动导致空域相移的特性。干涉光谱仪将带通波段内所有频率的光谱信号以干涉条纹的形式成像在像面上，若光谱发生频移，条纹将向临近级次移动，通过条纹相位移动可计算得到频率的变化[53]。空间外差法光谱仪采用衍射光栅进行分光，使出射光线之间产生干涉效应，并在后端的光学探测器上记录所形成的干涉条纹。采用傅里叶变换对不同位置干涉条纹进行处理后，可以得到入射光源的光谱曲线。基于空间外差光法的光谱仪具有较高的光谱分辨率，通常用于光谱分析应用中。对单根或多根谱线进行干涉得到干涉
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-10-型特征谱线的致宽效应，分析太阳与恒星活动对视向速度测量精度与稳定性的影响，建立测速导航系统量测误差的数学模型，评估各类误差源对测速导航系统性能的影响。(3)深空天文测速导航目标遴选与速度矢量融合从导航源几何分布的角度提出优选准则与方法，研究多星矢量的相关性与正交性。考察在源端误差一定的情况下，视向速度矢量正交程度对矢量合成误差的影响，以及观测几何构型一定的情况下，不同源端误差对速度矢量合成的影响。建立基于几何构型与目标源误差的统一量化评价指标，为不同飞行条件下的测速导航源选取提供依据。(4)深空天文测速导航系统状态估计分析速度量测量的引入对导航系统状态估计精度、实时性的影响，揭示“速度”量对完善导航系统信息完备性的物理意义。借鉴可观测性等概念，讨论导航系统信息完备性问题。针对速度量测量误差特性，设计有效的导航状态估计滤波算法。(5)测速导航系统地面半物理仿真基于动力学仿真机实时仿真平台搭建深空探测器动力学仿真环境，开展地面半物理仿真实验，对测速导航精度、算法效率、实时性等进行分析与评价，验证测速导航方法的有效性及系统方案设计的正确性。结合上述研究内容，本论文各章节内容安排及联系如图1-3所示。图1-3论文主要研究内容及章节安排Fig.1-3Contentsandorganizationchartofthisdissertation
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国深空探测领域发展及展望[J]. 叶培建,邹乐洋,王大轶,彭兢,张熇. 国际太空. 2018(10)
[2]基于多普勒非对称空间外差光谱技术的多普勒测速仿真[J]. 况银丽,方亮,彭翔,程欣,张辉,刘恩海. 物理学报. 2018(14)
[3]基于X射线脉冲星导航试验卫星观测数据的到达时间估计[J]. 林晴晴,帅平,黄良伟,张新源,陈绍龙,吴耀军,贝晓敏,蒙静,陈强,张倩,张恒彬. 中国空间科学技术. 2018(01)
[4]基于双测量模型的多普勒测速及其组合导航[J]. 康志伟,徐星满,刘劲,李娜. 宇航学报. 2017(09)
[5]光谱红移/SINS自主组合导航方法[J]. 高朝晖,慕德俊,魏文辉,高社生,张晶. 弹箭与制导学报. 2017(04)
[6]深空组合导航中天文测速观测研究[J]. 宁宗军,李东,戴煜. 深空探测学报. 2016(03)
[7]基于测速测角敏感器的火星探测器自主导航方法研究[J]. 刘瑞霞,张剑桥. 深空探测学报. 2016(03)
[8]火星探测发展历程与未来展望[J]. 于登云,孙泽洲,孟林智,石东. 深空探测学报. 2016(02)
[9]基于小波分析和密度估计的红移测速导航研究[J]. 王永,赵剡,杨奎. 航空兵器. 2014(06)
[10]火星引力捕获动力学与动态误差分析[J]. 方宝东,吴美平,张伟. 力学学报. 2015(01)
博士论文
[1]基于X射线脉冲星的航天器自主导航方法研究[D]. 刘劲.华中科技大学 2011
[2]深空自主导航方法研究及在小天体探测中的应用[D]. 常晓华.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]测速测角组合自主导航性能评估研究[D]. 唐鹏.电子科技大学 2016
本文编号：3255105
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