小天体探测器光学导航与自主控制方法研究

摘要

导航、制导与控制技术作为小天体探测器关键技术之一，其水平决定了探测器的功能和性能，关系着探测任务的成功与否。开发先进的导航与控制方法，提高探测器的运行性能和生存能力，是小天体探测技术研究的重心。本学位论文结合863计划项目“深空探测自主技术与仿真演示系统”和国家自然科学基金资助项目“深空探测自主导航理论与方法研究”，针对小天体探测各飞行阶段的特点，深入研究了相关的光学导航与自主控制方法。论文的主要研究内容包括：
　　首先，对探测器接近轨道确定与自主交会制导方法进行了研究。参考目前主要的导航方式，结合小天体探测的特点，对小天体接近交会探测的导航方案、方法进行了设计和分析。基于预测制导技术对小天体自主交会制导律进行了设计，并在对机动时刻、目标点位置等制导参数影响分析的基础上，针对基本预测制导中轨道修正机动时刻无法自主选取的问题，提出了一种机动时刻选取准则，通过B平面误差椭圆的引入，对小天体探测器预测制导律进行了改进。
　　其次，对探测器绕飞轨道及目标天体参数确定方法进行了研究。考虑绕飞小天体初期待估参数多、动力学环境复杂等特点，利用SRIF滤波器对组合导航数据进行处理，对探测器绕飞轨道以及目标天体引力场模型、自旋状态、星历信息等动力学参数进行估计。针对利用路标进行自主导航的绕飞小天体探测器，给出了一种利用高斯-马尔科夫过程和Unscented卡尔曼滤波的导航算法，以解决轨道动力学模型的不确知和强非线性问题，提高轨道确定精度并保证算法的稳定性。通过对观测矩阵奇异值、条件数的讨论，对影响轨道确定精度的因素进行了分析，给出了导航路标选取的基本准则。
　　接着，对探测器下降位置、姿态自主确定与控制方法进行了研究。针对利用导航路标进行六自由度状态确定这一非线性、模糊性问题，利用观测角作为观测量，对像素观测方程中位置与姿态状态解耦求解，减小算法的复杂性，提高求解精度。同时，对导航路标及其与探测器之间位置关系对位姿确定精度的影响进行了分析，给出了导航路标最优观测方案。针对采用脉冲制动方式的探测器，提出了一种自主的闭环下降控制方法，考虑到探测器垂直软着陆的约束，利用势函数制导法设计了接近段内的闭环制动控制律，抑制由动力学参数不确知性和各干扰力带来的误差。
　　然后，对探测器着陆状态自主估计与控制方法进行了研究。针对小天体软着陆任务自主性、实时性的需求，提出了一种利用激光测距仪和光学导航相机跟踪目标着陆点的自主导航方案，利用测距矢量以及目标点之间的几何关系，确定着陆平面法向矢量和目标点位置。考虑对水平着陆速度的严格控制，通过分析期望的探测器下降轨迹特点，给出了一种基于制导变量的脉冲控制制导律，通过对目标点视线与着陆平面法向矢量之间夹角的控制，实现探测器高精度软着陆。
　　最后，在上述研究成果基础上，通过对系统功能及设计性能要求的分析，在硬件和软件层面上架构了小天体探测器导航与控制系统结构。搭建了基于dSPACE实时仿真机、PC104计算机、光学导航相机、星敏感器、图像模拟器和星空模拟器的导航与控制半实物仿真平台，并利用此半实物仿真平台对导航与控制方法性能进行了验证分析。

目录

小天体探测器光学导航与自主控制方法研究

Optical navigation and autonomous control methods research for small body probe

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 导航设备与姿态确定系统的发展现状

1.3 小天体探测器导航与控制方法研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 探测器接近轨道确定与自主交会制导方法

2.1 引言

2.2 地面测量与光学测量组合导航方法研究

2.3 基于视线信息的自主光学相对导航方法研究

2.4 基于预测技术的自主交会制导律设计

2.5 本章小结

第3章 探测器绕飞轨道及目标天体参数确定方法

3.1 引言

3.2 基于SRIF滤波器的组合导航方法研究

3.3 基于路标信息的自主光学导航方法研究

3.4 系统可观测度分析及导航路标选取准则

3.5 本章小结

第4章 探测器下降位姿自主确定与控制方法

4.1 引言

4.2 基于路标信息的自主位姿确定方法研究

4.3 导航误差分析及最优观测方案

4.4 自主脉冲下降机动控制方法研究

4.5 本章小结

第5章 探测器着陆状态自主估计与控制方法

5.1 引言

5.2 基于矢量测量的自主状态估计方法研究

5.3 基于制导变量的软着陆制导方法研究

5.4 本章小结

第6章 导航与控制系统结构设计与半实物仿真分析

6.1 引言

6.2 导航与控制系统结构设计

6.3 半实物仿真系统结构与组成

6.4 半实物仿真结果及分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历