自主光学相对导航中序列图像最优构建方法

针对状态估计误差的几何特性,提出了一种基于可观测度量化的自主光学相对导航序列图像最优构建方法。首先,通过分析自主光学相对导航系统可观测性来探究影响导航参数估计精度的关键因素;然后,依据状态估计误差几何特性,构建了相对导航系统可观测度指标;在此基础上建立了该指标与序列图像构建方式的映射关系,研究了序列图像最优构建方法。PRISMTA任务的数值仿真实验表明,提出的方法可有效提高自主光学相对导航精度。

非合作航天器自主相对导航研究综述

非合作航天器自主相对导航作为与非合作航天器实现空间交会对接过程中的关键技术,是在轨服务技术的重点发展方向之一,其研究具有重要的理论价值与工程意义.针对在轨服务任务对于自主相对精确导航的需求,本文对发展非合作航天器自主相对导航技术的必要性进行了阐述.首先总结了非合作航天器自主相对导航技术的内涵与研究现状;随后分析梳理了非合作航天器自主相对导航过程涉及到的光学敏感器、位姿测量、导航滤波器以及地面实验等关键技术.最后根据研究现状和关键技术的分析指出了非合作航天器自主相对导航目前存在的主要问题并给出后续发展的建议.

基于未知陆标图像测量的自主相对导航方法研究

针对未知环境下行星表面导航问题,提出一种利用未知陆标序列图像测量的行星表面相对导航方法。该方法以初始时刻星下点天南东系为着陆参考坐标系,利用行星表面未知陆标在连续3幅下降图像中的观测信息及探测器状态估计建立未知陆标的隐式测量模型,通过扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)所建立的未知陆标隐式测量模型和基于惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)测量建立的运动学模型对探测器的相对运动状态进行估计。以火星着陆为例进行数学仿真,仿真结果表明提出的方法可有效估计探测器相对行星表面的速度以及相对于着陆点的位置,能够满足行星安全着陆自主相对导航的要求。

基于Unscented滤波的伴飞卫星自主相对导航滤波器

为提高导航滤波器的稳定性和计算精度,根据卫星自主导航原理,构造了基于Unscented Kalman滤波(UKF)的伴飞卫星自主相对导航滤波器,建立了算法模型。仿真结果表明:UKF的滤波精度优于扩展Kalman滤波(EKF),且无需计算量测方程的Jacobi矩阵,计算量小、易于实现。

基于视线测量的航天器相对导航滤波方法研究

基于视线测量的航天器相对导航精度会受到相对轨迹形状和滤波算法设计等因素的共同影响。以低轨卫星近距离编队飞行为任务背景,设计了环航飞行、共面漂移和共线保持3种不同轨迹的相对运动模式。对3种模式建立了基于星间非线性相对运动模型的系统状态方程,并引入了J2项地球非球形摄动力的影响;建立了基于视线测量的观测方程,观测量包括星间相对距离、相对俯仰角和相对航向角。结合系统模型和观测模型均为高斯分布的非平稳随机过程的特点,分别在上述3种模式下设计了基于扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)和无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)的相对导航滤波算法,对各自的相对运动轨迹进行了数值仿真,并在半物理硬件环境下进行了验证,分析了不同模式下EKF和UKF对于高斯非平稳随机过程的估计精度和稳定性,并结合EKF和UKF的运算复杂度,提出了3种相对运动模式下的滤波器优选方案,对工程设计提供了理论参考。

椭圆轨道航天器相对导航的多项式插值滤波算法

针对运行于椭圆轨道的航天器的相对自主导航问题,建立了惯性坐标系下的近距离相对运动方程,方程中没有圆轨道的假设,相对Clohessy-Wiltshire(C-W)方程具有更广的应用范围。将二阶多项式插值(Divided Difference 2,DD2)滤波应用于相对导航算法中,和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)相比,前者不需要对状态方程组进行微分处理,且对非线性函数统计特性近似到二阶程度。数值仿真比较了DD2滤波和EKF两种算法的性能,验证了利用惯性坐标系下的近距离相对运动方程实现相对导航的可行性,并分析了主动航天器的轨道和姿态确定误差对相对导航精度的影响。

伴飞卫星自主相对导航衰减记忆滤波算法

为实现伴飞卫星的自主相对导航,基于C-W方程提出了一种在伴飞卫星轨道系中建立简化的相对运动方程构成星上轨道递推、根据导航敏感器输出进行量测更新的导航滤波器,并利用衰减记忆滤波算法抑制系统模型误差对相对导航结果的影响。仿真结果表明,该滤波算法可实现伴飞星的自主相对导航。它不仅较C-W方程更简单,而且适于模型不准确时的相对导航,工程实现易。

基于无奇点根数的空间相对导航插值滤波算法

为了提高椭圆轨道航天器的相对导航精度,将基于Stirling公式的多项式插值滤波方法(DDF2)引入导航算法,降低了传统的卡尔曼滤波方法中泰勒级数展开线性化造成的误差,有效提高了相对导航滤波精度;算法将无奇点根数引入系统状态方程作为状态变量,推导了相对无奇点根数到相对位置和相对速度的转换公式,避免了开普勒轨道根数容易产生的奇异性问题。同传统的C-W方程相比,本方法无需假设航天器是正圆轨道,更加适用于考虑地球J2项摄动的情况。以星间相对距离和角度作为观测量,数值仿真比较了UKF算法和多项式插值滤波方法的性能,仿真结果表明,采用同样的sigma点选取策略,且运算复杂度相当的条件下,本方法具有更高的精度和稳定性。

空间非合作目标的相对导航粒子滤波算法

针对激光交会雷达作为在空间交会对接过程中的相对导航敏感器,研究了未来特殊背景下,非合作目标航天器对雷达信号发射干扰的情况下的相对导航滤波算法.针对高维模型计算量大的特点对传统粒子滤波算法进行了改进,并与扩展卡尔曼滤波器进行了仿真比较,仿真结果表明改进后的粒子滤波器的滤波效果远远优于扩展卡尔曼滤波器,且计算量优于传统粒子滤波.

小行星动能防御精确相对导航与制导方法研究

美国“双小行星重定向测试”(DART)任务实现了人类首次近地小行星动能防御在轨演示验证,对人类未来主动应对近地小行星防御具有里程碑意义。根据文献中的公开报道,DART任务采用了EKF算法作为相对导航的滤波算法,采用忽略相对加速度的模型进行制导指令计算。本文首先对公开文献中提及的算法进行分析,然后对导航和制导方法进行了改进:利用目标天体视线角测量信息设计了自主相对导航方法,实现对B平面内位置和速度的快速精确估计;利用自主相对导航信息,设计了考虑引力加速度的投影脱靶量制导方法,实现了高精度交会。最后以真实小行星Bennu为目标设计典型任务场景,并考虑多种误差源,进行仿真验证。数值仿真结果表明,本文提出的方法可以在典型小行星防御场景下实现5.22m(3σ)的交会精度,适用于更小尺寸的目标和更高精度的交会任务。

基于样条滤波的航天器相对运动检测方法

近距离相对运动检测在交会对接、航天器随动抓捕等领域有着重要的作用。基于三状态样条滤波算法,对接近航天器的运动状态进行实时预报并对其机动进行检测。首先构建两航天器的相对动力学模型并将其应用于三状态样条滤波算法中,通过检测滤波新息来对目标机动发生或消除进行判断,最后利用一个双脉冲交会的实例进行了仿真分析。仿真结果表明,该方法具有较高的精度和检测效率。

基于双目光学图像信息的空间非合作目标自主相对导航方法

针对无任何先验信息的空间非合作目标相对导航问题,提出了一种仅基于双目视觉图像测量的自主相对导航方法.首先,建立了非合作目标双目图像测量辨识模型及特征位置矢量解算方法.利用观测卫星相机系下的目标相对位置矢量观测序列,结合卫星姿态、相机安装方位等信息,给出了非合作目标初始相对运动状态估计及导航滤波参数初始化方法.之后采用考虑状态噪声补偿以及观测方差矩阵和状态噪声矩阵自适应修正的扩展卡尔曼滤波算法,完成空间非合作目标自主相对导航解算.最后以低轨非合作目标逼近段为例进行相对导航仿真,验证了该方法的有效性.

着陆小行星的视线测量自主光学相对导航算法及其可观性分析

以软着陆小行星为工程应用背景,提出了基于视线(LOS)测量的自主光学相对导航算法,并对导航算法的可观性进行了比较深入的分析研究。首先,基于透视投影模型的共线方程,给出了导航测量方程和测量敏感矩阵;接着,通过多个视线矢量的测量,应用高斯最小二乘微分修正(GLSDC)和龙贝格-马尔塔(LM)算法对探测器的位置和姿态参数进行了估计。然后,通过对误差方差阵逆矩阵秩的分析,比较详尽地分析了不同数量视线观测条件下导航算法的可观度和可观性。最后,通过数学仿真对所提出的自主导航算法的可行性进行了验证。