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(guó)神舟系列飛船的成功發(fā)射、探月計(jì)劃和深空探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施，航天器自主生存能力成為新世紀(jì)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(gè)重要方面，是當(dāng)今航天器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，它在減輕地面測(cè)控系統(tǒng)負(fù)擔(dān)、降低航天器運(yùn)行費(fèi)用、提高航天器生存能力以及擴(kuò)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(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容與熱點(diǎn)問(wèn)題。本論文結(jié)合國(guó)

2、家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(973)“微型航天器新概念、新機(jī)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(qiáng)計(jì)測(cè)量地磁場(chǎng)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(qiáng)計(jì)相結(jié)合利用地磁場(chǎng)測(cè)量信息同時(shí)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(xì)分析了地磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型及磁強(qiáng)計(jì)觀測(cè)模型；然后推導(dǎo)了軌道六要素軌道動(dòng)力學(xué)模型及姿態(tài)四元數(shù)運(yùn)動(dòng)

3、學(xué)模型，建立組合系統(tǒng)狀態(tài)方程；其次提出將磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量值與國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF)模型估計(jì)值作差，建立組合系統(tǒng)觀測(cè)方程，通過(guò)對(duì)兩者觀測(cè)差值的微分分析得到：只用一個(gè)觀測(cè)表達(dá)式即能夠同時(shí)包含航天器的導(dǎo)航參數(shù)及姿態(tài)信息，最后設(shè)計(jì)了先進(jìn)的連續(xù)-離散擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)組合系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，并對(duì)仿真結(jié)果及系統(tǒng)性能進(jìn)行分析和討論。
　　針對(duì)目前利用單一天體敏感器自主導(dǎo)航的缺點(diǎn)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(dāng)間接敏感地平觀測(cè)不到折射星時(shí)，引入由地球敏感器測(cè)量得到的衛(wèi)星距離及方向矢量作為新的觀測(cè)信息。(2)太陽(yáng)敏感器與磁強(qiáng)計(jì)相結(jié)合，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行在不同區(qū)域時(shí)，根據(jù)太陽(yáng)敏感器的工作原理，可以分為太陽(yáng)光照區(qū)和太陽(yáng)陰影區(qū)兩種工作模式。當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行在太陽(yáng)陰影區(qū)時(shí)，引入國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF)模型，以磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量值與IGRF模型夾角余弦作為新的觀測(cè)信息。(3)針對(duì)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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了基于信息融合的自適應(yīng)EKF算法對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真，并對(duì)仿真結(jié)果及系統(tǒng)性能進(jìn)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(diǎn)，但是其慣性測(cè)量元件誤差隨著時(shí)間累積、難以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的缺點(diǎn)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(wú)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(biāo)系或地理坐標(biāo)系中的，而星敏感器觀測(cè)恒星是在地心慣性坐標(biāo)系中，所以推導(dǎo)了在地心慣性坐標(biāo)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(cè)方程，最后采用先進(jìn)的連續(xù)-離散擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)

7、行數(shù)值仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。
　　系統(tǒng)狀態(tài)的可觀測(cè)性和可觀測(cè)度是檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)濾波器收斂精度和速度的重要指標(biāo)。針對(duì)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(cè)性和可觀測(cè)度的方法：(1)根據(jù)系統(tǒng)可觀測(cè)性定義及分析方法，對(duì)直接敏感地平天文導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測(cè)性及影響其的主要因素進(jìn)行了數(shù)值分析；(2)對(duì)分段線性定常系統(tǒng)(PWCS)可觀測(cè)性進(jìn)行了分析；(3)對(duì)PWCS可觀測(cè)性矩陣進(jìn)行奇異值分解，分析了系統(tǒng)狀態(tài)的可觀測(cè)度。對(duì)SINS/C