基于构型信息的小卫星编队自主导航技术研究

发布时间：2017-09-04 01:25

  本文关键词：基于构型信息的小卫星编队自主导航技术研究

  更多相关文章： 小卫星编队 自主导航 卡尔曼滤波器 构型信息

【摘要】：小卫星编队具有许多综合性大卫星所不具备的优点,是近年来的研究热点。编队卫星的自主导航是编队飞行的关键技术之一,因此,本文针对小卫星编队的自主导航问题进行了研究。本文提出的自主导航方案都是以编队构型信息为基础的。编队构型信息是指:编队卫星的星间距离信息、星间相对角度信息。可以直接采用这些信息对编卫星相对轨道进行确定,也可以对编队卫星的绝对轨道进行修正。首先,本文提出了基于一种类似导航星座的相对轨道确定方案。主星对其中的两颗从星基于测距和测角的方式确定出从星的相对位置,然后主星和这两颗从星组成基准星座,再对其它从星进行星间测距,来确定其余从星的相对轨道。在此基础上还研究了被确定从星到基准星所在平面的距离对相对轨道确定精度的影响,并进行了数值仿真。其次,本文研究了卫星存在姿态误差情况下基于星间测距、测角方案的相对轨道确定问题。采用星敏感器对卫星进行姿态测量,建立了卫星存在姿态误差时的测量模型,将姿态误差和相对轨道状态共同作为状态量,采用卡尔曼滤波算法进行估计。验证了卫星编队基于星间测距、测角方案的相对轨道估计精度不仅和测量系统的测量精度有关,还与卫星的姿态误差有关。然后,本文研究了采用星间测距对卫星编队相对轨道进行修正的方案。由于小卫星编队是基于微小卫星空间互联技术,要实现小型化、低成本,这使得星载GPS接收机在性能上有所下降,定位精度较低。针对这种情况,本文提出一种利用单纯星间测距信息对卫星编队相对轨道进行修正的方法。引入星间测距信息,分别采用扩展卡尔曼滤波算法和无迹卡尔曼滤波算法进行了仿真验证,证实了该方案的有效性。同时还研究了测量方程中不含有初始相对速度时对相对轨道的修正情况。最后,本文提出了采用星间测距、测角信息对编队卫星绝对轨道修正的方案。由于编队卫星相对轨道的确定,不仅可以采用直接测量的确定方案,也可以以卫星的绝对轨道信息为基础,通过作差处理来获得编队卫星的相对轨道状态。因此,卫星的绝对轨道精度将直接影响相对轨道的确定精度。所以,本文提出了在卫星绝对轨道精度较差的情况下,采用星间测距、测角信息来对绝对轨道进行修正的方案。分别研究了采用一次测距信息修正,两次测距信息修正,一次测距、测角信息组合修正,两次测距、测角信息组合修正这四种情况。通过仿真验证,证实了通过星间测距信息可以达到对卫星的绝对轨道修正的目的,多次修正可以提高修正精度,并且加入测角信息后,测距和测角信息的组合使用,可以达到更好的修正效果。
【关键词】：小卫星编队 自主导航 卡尔曼滤波器 构型信息
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-29
• 1.1 论文研究的背景和意义15-16
• 1.2 国内外卫星编队任务发展综述16-20
• 1.3 国内外编队轨道状态自主确定研究现状20-25
• 1.3.1 GPS导航技术20-21
• 1.3.2 类GPS技术21-22
• 1.3.3 基于激光测量系统的相对自主导航22-23
• 1.3.4 基于微波雷达系统的相对自主导航23
• 1.3.5 基于视觉测量系统的相对自主导航23
• 1.3.6 红外测量系统23-24
• 1.3.7 编队构型信息测量技术总结24-25
• 1.4 本文工作与创新点25-29
• 1.4.1 本文主要研究内容及结构安排25-26
• 1.4.2 本文创新点26-29
• 第2章 理论基础29-43
• 2.1 坐标系定义29-30
• 2.2 编队卫星受到的摄动力30-32
• 2.3 相对运动建模32-36
• 2.3.1 基于直角坐标的相对运动建模32-35
• 2.3.2 基于轨道根数描述的相对运动模型35-36
• 2.4 自主滤波技术36-41
• 2.4.1 扩展卡尔曼滤波36-38
• 2.4.2 无迹卡尔曼滤波38-41
• 2.5 本章小结41-43
• 第3章 多星编队的相对轨道确定方法43-55
• 3.1 测量原理43-44
• 3.2 测量模型44-47
• 3.2.1 基于测距/测角的测量方程44-45
• 3.2.2 基准星对其余从星的测量方程45-47
• 3.3 动力学模型47-48
• 3.4 EKF相对导航算法48
• 3.5 仿真分析48-53
• 3.6 本章小结53-55
• 第4章 考虑姿态误差的卫星编队相对轨道状态确定55-67
• 4.1 测量模型55-59
• 4.1.1 姿态测量方程55-57
• 4.1.2 带姿态误差的侧距、测角方程57-59
• 4.2 动力学模型59-61
• 4.2.1 卫星姿态动力学方程59-60
• 4.2.2 卫星相对运动方程60-61
• 4.3 相对导航算法61-62
• 4.4 仿真分析62-65
• 4.5 本章小结65-67
• 第5章 星间测距对卫星编队相对轨道状态估计的修正67-77
• 5.1 测量原理68
• 5.2 数学模型68-69
• 5.3 星间测距对相对轨道修正滤波算法69-70
• 5.3.1 星间测距对相对轨道修正的EKF算法69-70
• 5.3.2 星间测距对相对轨道修正的UKF算法70
• 5.4 仿真分析70-75
• 5.5 本章小结75-77
• 第6章 星间测距、测角信息对卫星编队绝对轨道估计的修正77-87
• 6.1 测量原理77-78
• 6.2 纯星间测距修正的测量方程78
• 6.3 星间测距/测角组合修正的测量方程78-79
• 6.4 动力学模型79-81
• 6.5 绝对轨道修正滤波算法81-82
• 6.6 仿真分析82-86
• 6.7 本章小结86-87
• 第7章 总结与展望87-90
• 7.1 总结87-88
• 7.2 展望88-90
• 参考文献90-95
• 在读期间发表论文95-97
• 致谢97

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本文编号：788543