中高軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航與軌道控制的研究.pdf

1、傳統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星的導(dǎo)航與軌道控制模式是采用地面遙測(cè)遙控的方式，利用地面站在可見弧段內(nèi)對(duì)衛(wèi)星跟蹤并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取衛(wèi)星的軌道姿態(tài)等信息，同時(shí)根據(jù)任務(wù)要求，將遙控指令上傳至衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制操作。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和衛(wèi)星功能的增強(qiáng)，這種模式已不能滿足控制管理的復(fù)雜程度不斷增大的導(dǎo)航和軌控系統(tǒng)的性能要求，特別是對(duì)于地面測(cè)控范圍之外的某些飛行任務(wù)。這使得衛(wèi)星的導(dǎo)航逐步由非自主、半自主向自主發(fā)展，同時(shí)軌道控制也由完全的地面測(cè)控向自主控制方向發(fā)展

2、。作為衛(wèi)星自主運(yùn)行能力的兩個(gè)重要方面，衛(wèi)星的自主導(dǎo)航與軌道控制在近階段取得了不少研究成果，但仍有許多問(wèn)題亟待解決并對(duì)現(xiàn)有的導(dǎo)航和軌控方法提出了新的要求。對(duì)中高軌道衛(wèi)星而言，導(dǎo)航精度的提高在很大程度上取決于濾波方法，我們?cè)谧非鬄V波方法改進(jìn)的同時(shí)，也要兼顧系統(tǒng)的計(jì)算量等實(shí)際工程因素；天文導(dǎo)航盡管相對(duì)成熟，但其受限于導(dǎo)航敏感器，精度有限；作為軌道控制的一個(gè)重要方面，中高軌道衛(wèi)星的位置保持控制常常出現(xiàn)多個(gè)軌道要素需要同時(shí)控制的情況，也就是需要解

3、決多個(gè)軌道要素協(xié)調(diào)控制的問(wèn)題。本文針對(duì)上述問(wèn)題，研究了中高軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航與軌道控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)單個(gè)衛(wèi)星的導(dǎo)航與軌道控制問(wèn)題進(jìn)行擴(kuò)展，研究了基于測(cè)距與定向觀測(cè)的星座自主導(dǎo)航與構(gòu)型保持控制技術(shù)。本文主要內(nèi)容包括：
　　1）針對(duì)導(dǎo)航敏感器輸出異常的情況，提出一種將強(qiáng)跟蹤濾波(Strong Tracking Filter,STF)和UKF(UnscentedKalman Filter,UKF)相結(jié)合的濾波方法，并進(jìn)一步采用部分狀

4、態(tài)信息作為間接觀測(cè)量，使濾波器的設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化。最后將該方法應(yīng)用于衛(wèi)星自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，仿真結(jié)果表明，該方法在敏感器輸出出現(xiàn)突變或緩變異常時(shí)，能夠迅速檢測(cè)出異常，在保證較高估計(jì)精度的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可靠性；針對(duì)系統(tǒng)在有限推力下進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)的情況，提出一種基于ISRUKF(Iterated Square Root UnscentedKalman Filter,ISRUKF)和EKF(ExtendedKalman Filter,EKF)模式切

5、換的導(dǎo)航方法，該方法利用設(shè)計(jì)的模式切換函數(shù)和誤差閾值，自適應(yīng)地在兩種濾波方法之間切換。最后，通過(guò)開展相關(guān)的地面仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性。
　　2）考慮到目前適用于中高軌衛(wèi)星自主定軌的天文導(dǎo)航手段受限于導(dǎo)航敏感器，其精度有限，提出采用多星座信息確定中高軌衛(wèi)星軌道的方法。針對(duì)各星座系統(tǒng)存在時(shí)間同步差異的問(wèn)題，將各個(gè)星座系統(tǒng)的時(shí)鐘同步誤差作為導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)變量進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)軟同步；針對(duì)高軌衛(wèi)星接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)微弱、量測(cè)噪

6、聲的不確定性大的問(wèn)題，對(duì)濾波器中的量測(cè)噪聲方差陣進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整。最后，通過(guò)數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。
　　3）針對(duì)中高軌衛(wèi)星自主位置保持中多個(gè)軌道要素需要同時(shí)控制的情況，提出一種基于自主控制體系結(jié)構(gòu)的位置保持方法，制定各軌道要素控制的優(yōu)先級(jí)，并分析了不同控制精度指標(biāo)下的控制次數(shù)和燃料消耗。最后，通過(guò)開展相關(guān)的地面仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性；針對(duì)傳統(tǒng)基于絕對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)的中高軌衛(wèi)星位置保持控制時(shí)，由于間斷控制引起的控制精

7、度提升空間有限的問(wèn)題，提出一種基于相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)的位置保持方法，將中高軌的標(biāo)稱位置看作控制目標(biāo)點(diǎn)，并采用LQG（Linear-Quadratic-Gaussian，LQG）方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)控制。最后，通過(guò)數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。
　　4）考慮到星座在整體性、時(shí)效性方面的優(yōu)勢(shì)，在單星導(dǎo)航與軌道控制的基礎(chǔ)上，研究星座的自主導(dǎo)航與構(gòu)型保持控制問(wèn)題。采用星間測(cè)距+星間測(cè)向的組合導(dǎo)航方法，以軌道根數(shù)為狀態(tài)量，引入測(cè)向信息消除星座整體旋轉(zhuǎn)