基于“日—地—星”信息的卫星自主轨道确定

摘要

卫星自主生存是21世纪天基系统发展的重要技术领域,卫星自主导航是卫星自主生存的关键技术之一。本文针对对地定向三轴稳定卫星研究了利用日地星敏感器提供的测量信息实现的卫星自主导航技术,具体的研究方面总结如下:综合考虑地球形状、日月引力、太阳光压和大气阻力等主要摄动因素的影响,在地心赤道惯性系下建立卫星的精确轨道动力学模型;并给出了姿态敏感器的测量原理及数学模型。研究了基于地球敏感器+星敏感器的导航方案,以星光角距作为观测量,通过UKF算法滤波,提高了导航的精度;并在此基础上提出了融合日、地、星信息的导航方案,可提高导航的可靠性与容错性,通过数学仿真验证了方案的可行性;因为太阳阴影区是常见的现象,所以还提出了卫星在轨运行阶段的连续导航方案,太阳可见段利用日地星信息导航,太阳阴影区利用地星信息导航。针对多姿态敏感器的信息融合,采用了集中滤波和联合滤波两种方式。根据最优融合理论,联合滤波中选择自适应联合滤波的方式,即计算每个子滤波器的协方差阵的迹来确定子滤波器在信息融合中所占的比例。子滤波器要进行时间的更新和测量的更新,而主滤波器不进行滤波,只进行信息融合。提出了将BP神经网络应用于卫星自主轨道确定。根据轨道动力学方程及日地星敏感器的测量模型模拟出轨道的状态参数和观测量,对样本数据作预处理,以量测数据为BP神经网络的输入,轨道状态参数作为BP网的输出,进行BP网络训练。设计BP神经网络时,根据卫星轨道确定的具体情况选择合适的隐层数、隐层节点数、网络训练函数等。最后将训练好BP网络用于卫星的自主导航,通过数学仿真验证了方案的可行性,并分析了影响BP滤波算法导航精度的主要因素。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究目的及意义

1.2 自主天文导航技术及国内外相关文献综述

1.2.1 自主天文导航技术

1.2.2 国内外卫星自主天文导航相关文献综述

1.3 导航系统的信息融合研究现状

1.3.1 卡尔曼滤波与信息融合

1.3.2 神经网络与信息融合

1.4 本文主要研究内容

第2章 卫星运动学模型与姿态敏感器测量模型

2.1 引言

2.2 常用坐标系及坐标转换

2.2.1 参考坐标系

2.2.2 坐标系间的转换矩阵

2.3 卫星轨道运动模型

2.3.1 卫星轨道运动力学模型

2.3.2 卫星轨道动力学模型

2.4 姿态敏感器模型

2.4.1 星敏感器

2.4.2 太阳敏感器

2.4.3 地球敏感器

2.5 本章小结

第3章 基于UKF 算法的卫星轨道确定

3.1 引言

3.2 UKF 原理

3.3 信息融合结构

3.4 UKF 导航滤波器设计

3.4.1 导航滤波器状态方程

3.4.2 导航滤波器观测方程

3.4.3 联合滤波算法设计

3.4.4 UKF 导航系统仿真模型

3.5 仿真结果及分析

3.5.1 基于“地—星”信息的卫星轨道自主确定

3.5.2 基于“地—日”信息的卫星轨道自主确定

3.5.3 基于“日—地—星”信息的卫星轨道自主确定

3.5.4 基于“日地星—地星”信息的卫星轨道自主确定

3.6 本章小结

第4章 基于BP 神经网络的卫星轨道自主确定

4.1 引言

4.2 BP 算法及BP 网的逼近能力

4.2.1 BP（反向传播算法）

4.2.2 BP 网的逼近能力

4.3 BP 网络导航滤波器的设计

4.3.1 样本数据

4.3.2 隐层节点

4.3.3 学习时间

4.3.4 BP 网络导航结构设计

4.4 仿真结果及分析

4.4.1 基于“地—星”信息的卫星轨道自主确定

4.4.2 基于“地—日”信息的卫星轨道自主确定

4.4.3 基于“日—地—星”信息的卫星轨道自主确定

4.5 本章小结

结论及展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢