基于星載敏感器的衛(wèi)星自主導(dǎo)航及姿態(tài)確定方法研究.pdf

1、隨著中國神舟系列飛船的成功發(fā)射、探月計劃和深空探測計劃的實施，航天器自主生存能力成為新世紀備受關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)之一。航天器自主導(dǎo)航及姿態(tài)確定技術(shù)是衛(wèi)星自主性的一個重要方面，是當今航天器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，它在減輕地面測控系統(tǒng)負擔、降低航天器運行費用、提高航天器生存能力以及擴展衛(wèi)星的應(yīng)用潛力等方面都具有重要意義。因此利用多種星載敏感器采用信息融合的方法提高衛(wèi)星自主導(dǎo)航及姿態(tài)確定的精度和可靠性是目前航天器設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容與熱點問題。本論文結(jié)合國

2、家安全重大基礎(chǔ)研究項目(973)“微型航天器新概念、新機理研究(51312)”這一任務(wù)，研究了基于各種星載敏感器相結(jié)合的衛(wèi)星自主導(dǎo)航及姿態(tài)確定方法，具體工作如下：
　　與傳統(tǒng)方法利用磁強計測量地磁場信息僅單一確定行航天器導(dǎo)航參數(shù)或姿態(tài)信息相比，提出一種將陀螺與磁強計相結(jié)合利用地磁場測量信息同時確定低地球軌道衛(wèi)星導(dǎo)航參數(shù)與姿態(tài)信息的方法。首先詳細分析了地磁場數(shù)學(xué)模型及磁強計觀測模型；然后推導(dǎo)了軌道六要素軌道動力學(xué)模型及姿態(tài)四元數(shù)運動

3、學(xué)模型，建立組合系統(tǒng)狀態(tài)方程；其次提出將磁強計測量值與國際地磁參考場(IGRF)模型估計值作差，建立組合系統(tǒng)觀測方程，通過對兩者觀測差值的微分分析得到：只用一個觀測表達式即能夠同時包含航天器的導(dǎo)航參數(shù)及姿態(tài)信息，最后設(shè)計了先進的連續(xù)-離散擴展卡爾曼濾波器對組合系統(tǒng)進行了數(shù)值仿真，并對仿真結(jié)果及系統(tǒng)性能進行分析和討論。
　　針對目前利用單一天體敏感器自主導(dǎo)航的缺點和不足，提出三種基于信息融合的自主天文導(dǎo)航方法：(1)根據(jù)星敏感器與地

4、球敏感器相結(jié)合敏感地平方式的不同可以分為直接敏感地平與間接敏感地平。當間接敏感地平觀測不到折射星時，引入由地球敏感器測量得到的衛(wèi)星距離及方向矢量作為新的觀測信息。(2)太陽敏感器與磁強計相結(jié)合，當衛(wèi)星運行在不同區(qū)域時，根據(jù)太陽敏感器的工作原理，可以分為太陽光照區(qū)和太陽陰影區(qū)兩種工作模式。當衛(wèi)星運行在太陽陰影區(qū)時，引入國際地磁參考場(IGRF)模型，以磁強計測量值與IGRF模型夾角余弦作為新的觀測信息。(3)針對上述所提出兩種基于信息融合

5、的自主導(dǎo)航方法的缺點和不足，提出將上述衛(wèi)星上常用的天體敏感器相結(jié)合進行自主導(dǎo)航。根據(jù)上述三種自主導(dǎo)航系統(tǒng)各自的特點，分別設(shè)計了基于信息融合的自適應(yīng)EKF算法對上述系統(tǒng)進行數(shù)值仿真，并對仿真結(jié)果及系統(tǒng)性能進行分析和討論。
　　捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)是一種常用的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，具有自主性、隱蔽性、寬頻帶和信息全面等優(yōu)點，但是其慣性測量元件誤差隨著時間累積、難以長時間連續(xù)工作的缺點和不足同樣是非常明顯的。星敏感器是目前應(yīng)用最廣泛的星

6、載姿態(tài)敏感器，具有指向精度高、無姿態(tài)積累誤差等特性。因此提出將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與星敏感器相結(jié)合，目前最常用的SINS系統(tǒng)誤差數(shù)學(xué)模型是在地球固聯(lián)坐標系或地理坐標系中的，而星敏感器觀測恒星是在地心慣性坐標系中，所以推導(dǎo)了在地心慣性坐標系下的SINS誤差數(shù)學(xué)模型及其傳播特性。選取40維狀態(tài)變量建立組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程；由SINS和星敏感器輸出的姿態(tài)四元數(shù)得到姿態(tài)四元數(shù)誤差，建立組合導(dǎo)航系統(tǒng)觀測方程，最后采用先進的連續(xù)-離散擴展卡爾曼濾波器進

7、行數(shù)值仿真，并對仿真結(jié)果進行分析。
　　系統(tǒng)狀態(tài)的可觀測性和可觀測度是檢驗所設(shè)計濾波器收斂精度和速度的重要指標。針對前述所提出的典型自主導(dǎo)航系統(tǒng)，提出三種分析系統(tǒng)可觀測性和可觀測度的方法：(1)根據(jù)系統(tǒng)可觀測性定義及分析方法，對直接敏感地平天文導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測性及影響其的主要因素進行了數(shù)值分析；(2)對分段線性定常系統(tǒng)(PWCS)可觀測性進行了分析；(3)對PWCS可觀測性矩陣進行奇異值分解，分析了系統(tǒng)狀態(tài)的可觀測度。對SINS/C