火星进入段自主导航方案设计与优化方法研究

发布时间：2017-09-22 05:05

  本文关键词：火星进入段自主导航方案设计与优化方法研究

  更多相关文章： 进入段 自主导航 可观测度 布局构型 轨迹优化

【摘要】：在火星着陆探测任务过程中,火星大气进入段是最危险也是最复杂的阶段。火星大气进入段的自主导航技术是决定任务成败的关键技术之一。火星大气进入段动力学环境的特殊性给精确自主导航带来了巨大障碍,其中导航信息的欠观测性和系统的非线性及不确定性是面临的两个主要挑战。针对上述挑战,为了提高火星大气进入段的自主导航性能,本文对火星进入段自主导航方案设计与优化方法开展了深入研究,主要研究内容包括:首先研究了初始进入状态、大气密度、重力加速度及气动力系数扰动对探测器状态误差特性的影响,同时分析了无线电测距导航方案的状态估计误差下限。研究结果表明火星大气密度是最主要的扰动因素,通过引入无线电测距信息可以有效提高自主导航性能,同时动力学系统非线性是影响状态估计精度的重要因素。针对火星进入段导航方案优化问题,首次提出了将可观测度概念引入导航信标布局构型优化的思想,实现了特定大气进入轨迹下有限导航信息的最优化,提高进入段导航精度。以本思想为基础提出了基于可观测度的导航信标布局构型优化方法,该方法以导航系统可观测度为性能指标,考虑探测器与信标之间的可见性约束,通过遗传算法求解优化问题。在此基础上提出基于二次型逼近及Fisher信息矩阵的可观测度分析方法,给出了可观测度与导航信标布局构型的理论关系,并分析了不同数量信标的理论最优布局构型。针对火星进入段轨迹优化问题,提出了基于可观测度的进入轨迹优化方法,将系统可观测度作为性能指标,结合多种约束求解轨迹优化问题,在导航信标布局构型无法达到最优的情况下通过优化探测器的进入轨迹获得相对最优的导航信息获取条件,从而提高导航估计性能。在此基础上针对大气密度扰动及初始状态误差的影响,采用混沌多项式法描述状态及约束函数的误差传播特性,提出了火星大气进入段的鲁棒轨迹优化方法,解决了传统轨迹优化方法可能出现的约束违背问题。但由于控制能力的限制,可观测度提高效果没有导航信标布局构型优化明显。在上述研究的基础上,开展探测器状态估计方法研究,以进一步提高火星进入段自主导航性能。首次提出了一种基于姿态及角速度的加速度计校准方法,通过探测器不同位置处加速度与角速度和角加速度的关系,推导加速度计输出模型,结合姿态及角速度测量信息设计最优估计算法,可以在火星最终接近段位置测量信息匮乏的情况下进行加速度计的精确校准。同时给出了平方根非线性滤波方法,考虑动力学非线性及扰动特性,结合混沌多项式法推导平方根滤波方程,提高状态估计性能。最后针对导航方案的可行性提出了基于惯性测量单元、基于无线电测量以及基于火星导航网络的火星大气进入段递进式的自主导航方案设想。同时利用MATLAB GUI编程工具开发了火星大气进入段自主导航仿真系统,对基于无线电测量的自主导航方案及所提出的导航方案优化方法进行仿真分析。
【关键词】：进入段 自主导航 可观测度 布局构型 轨迹优化
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-31
• 1.1 火星着陆探测的目的及意义12-13
• 1.2 火星大气进入段自主导航问题分析13-17
• 1.2.1 火星着陆过程分析13-15
• 1.2.2 火星大气进入段自主导航面临的挑战15-17
• 1.3 火星大气进入段自主导航理论方法研究现状17-28
• 1.3.1 系统扰动特性分析18-20
• 1.3.2 自主导航观测方案20-22
• 1.3.3 可观测度分析方法22-24
• 1.3.4 多约束进入轨迹优化24-27
• 1.3.5 非线性估计方法27-28
• 1.4 本文主要研究内容28-31
• 第2章 火星进入段动力学扰动特性与导航性能分析31-58
• 2.1 引言31
• 2.2 动力学模型与简化31-36
• 2.3 动力学扰动特性分析36-45
• 2.3.1 随机过程的描述36-38
• 2.3.2 随机动力学方程的求解38-41
• 2.3.3 火星进入段动力学扰动特性分析41-45
• 2.4 自主导航观测方案45-47
• 2.4.1 火星最终接近段导航观测方案45-46
• 2.4.2 火星大气进入段导航观测方案46-47
• 2.5 火星进入段自主导航性能分析47-56
• 2.5.1 基于粒子的状态误差下限估计方法48-52
• 2.5.2 精度与稳定性分析52-54
• 2.5.3 火星进入段状态估计误差下限分析54-56
• 2.6 本章小结56-58
• 第3章 导航信标布局构型优化方法研究58-82
• 3.1 引言58
• 3.2 导航系统可观测度分析方法58-63
• 3.2.1 基于线性化系统的可观测度分析方法59-60
• 3.2.2 基于微分几何的可观测度分析方法60
• 3.2.3 基于二次型逼近的可观测度分析方法60-62
• 3.2.4 基于Fisher信息矩阵的可观测度分析方法62-63
• 3.3 火星进入段自主导航可观测度分析63-71
• 3.3.1 基于无线电测距的导航方案可观测度分析63-68
• 3.3.2 基于无线电测速的导航方案可观测度分析68-71
• 3.4 基于可观测度的导航信标布局构型优化方法71-81
• 3.4.1 火星表面导航信标布局构型优化71-76
• 3.4.2 火星导航轨道器轨道优化76-81
• 3.5 本章小结81-82
• 第4章 大气进入轨迹优化方法研究82-98
• 4.1 引言82
• 4.2 多约束条件下的轨迹优化方法82-90
• 4.2.1 Gauss伪谱法82-85
• 4.2.2 基于可观测度的火星进入段轨迹优化85-90
• 4.3 鲁棒轨迹优化方法90-97
• 4.3.1 随机系统轨迹优化问题转化90-91
• 4.3.2 不确定度传播的描述91-94
• 4.3.3 基于混沌多项式的火星进入段鲁棒轨迹优化94-97
• 4.4 本章小结97-98
• 第5章 探测器状态估计方法研究98-120
• 5.1 引言98
• 5.2 基于姿态及角速度信息的加速度计校准方法98-111
• 5.2.1 加速度计校准系统模型98-102
• 5.2.2 滤波器设计102-106
• 5.2.3 可观测度分析106-108
• 5.2.4 加速度计漂移的重解算过程108-109
• 5.2.5 火星最终接近段加速度计校准109-111
• 5.3 基于混沌多项式的非线性估计方法111-119
• 5.3.1 误差传播计算111-112
• 5.3.2 平方根滤波器设计112-114
• 5.3.3 状态估计性能分析114-119
• 5.4 本章小结119-120
• 第6章 火星大气进入段自主导航方案设计与仿真120-133
• 6.1 引言120
• 6.2 火星大气进入段自主导航方案设计120-123
• 6.3 火星大气进入段自主导航方案分析123-132
• 6.3.1 火星大气进入段自主导航仿真系统123-127
• 6.3.2 火星大气进入段自主导航仿真分析127-132
• 6.4 本章小结132-133
• 结论133-135
• 参考文献135-147
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单147-150
• 致谢150-152
• 作者简介152

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