深空探测巡航段自主光学导航方案研究

星际巡航段导航方案设计是深空探测任务中的重要组成部分。针对巡航段的特点,研究了一种基于多颗小行星光学信息的自主光学导航方案。它包括导航星的确定,导航系统的建立,导航算法的研究。此方案给出了统一的导航小行星选取准则,导航星个数的判别方法,以及基于UD分解的递推加权最小二乘滤波导航算法。通过可观测性分析确保了导航算法的可行性,利用数学仿真验证了导航方案设计的合理性。此方案的导航系统精度优于深空1任务,位置估计误差小于100km,速度估计误差小于0.3m/s。

分布式可视化深空探测仿真系统的研究和开发

为了仿真验证深空探测中的自主技术，采用基于HLA的分布式仿真技术以及三维视景仿真技术，设计了自主深空探测系统仿真的开发平台，采用软件框架的思想，实现了通用的联邦成员开发工具；采用双动态缓冲队列和数据插值运算满足了三维视景仿真演示中数据传输的要求。在月球探测器软着陆系统仿真实例中，验证了此仿真开发平台的有效性。

深空探测器行为模式定向的姿态指令器算法研究

对深空探测等定向任务多、目标运动复杂的空间任务，姿态指令器是自主飞行所必要的。依靠星上导航信息和星历服务，用矢量方法解析计算姿态运动的参考轨迹指令，并在解析解更新之间用数值方法递推出实时指令，最后跟踪实时指令实现精确平滑的姿态指向控制。这种姿控系统的项层架构，能响应由任务行为定制的主辅目标定向的组合，并可用于姿态运动预报与监测。方法对各种矢量条件具有一般性，矢量的线性运算过程和实时参考指令的数值递推有助于节省计算耗费，并避免可能出现的矢量求解奇异。

NASA深空探测技术标准化研究

简要介绍了NASA技术标准化体系中深空探测标准化情况 ,同时对NASA深空探测技术标准中有关数据与通讯标准框架进行了分析和研究 。

基于视线矢量的深空自主导航算法研究

针对深空探测器在行星际飞行的轨道确定问题,研究了一种基于视线矢量的自主导航算法.结合深空探测任务的特点,以太阳视线矢量和地球视线矢量作为导航系统的观测量,在详细分析太阳敏感器测量原理的基础上,给出了太阳视线矢量的观测模型及其观测误差表达式.通过分析导航相机观测原理,给出像元像线观测模型,并推导了地球视线矢量的观测误差.根据惯性空间内视线矢量间的几何关系,详细推导了探测器的位置矢量及其误差表达式,结合非线性扩展卡尔曼滤波建立自主导航算法.利用深度撞击任务的实际飞行数据对本文提出的深空自主导航算法进行了仿真验证.

基于太阳观测的深空巡航段自主导航方法研究

针对基于小行星观测的自主光学导航在深空巡航段应用中存在的问题,提出了两种基于太阳观测的自主导航方法。以太阳视线矢量为基本观测量,分别利用分光计和星载导航相机测量探测器相对于太阳的径向速度和导航天体相对于探测器的视线矢量,进而构建了基于太阳信息和视线信息的两种观测方案。对两种观测方案的原理和观测方程进行了详细分析和推导,并采用扩展卡尔曼滤波算法实时估计探测器轨道。最后,以深度撞击任务的实际飞行数据对本文提出的两种自主导航方法进行仿真验证。结果表明,两种自主导航方法的轨道估计精度满足深空巡航段的要求。

基于可观测性分析的深空自主导航方法研究

基于可观测性分析,研究了不同观测模型下的深空自主导航算法。从非线性系统的可观测性分析出发,利用微分几何理论求解出系统的可观测矩阵,并给出了系统的可观测度定义和状态变量的可观测度分析方法;将其应用于深空自主导航系统,分析了不同观测模型下导航系统以及轨道参数的可观测度,并将其作为观测模型的选取准则;根据可观测性分析结果,结合非线性扩展卡尔曼滤波,建立了不同观测模型对应的自主导航算法。最后,以深度撞击任务的实际飞行数据对文中的自主导航算法进行数值仿真,验证了导航系统可观测度与系统状态估计精度之间的关系,结果表明本文提出的可观测性分析方法是可行的。

深空导航系统状态描述形式的选取问题研究

深空导航系统的状态描述采用轨道六根数还是位置速度是一个重要问题。首先根据两种描述下的非线性特性和空间结构特性,研究了导航算法中涉及的状态方程、观测方程和导航系统适用的非线性Kalman滤波器。然后引入非线性强度理论,分析了两种描述形式对导航系统可观测性的影响,解释了描述形式不同时可观测性不一致现象。最后以深空巡航段导航为例对上述理论进行了仿真验证,结果显示基于适当的滤波器,采用轨道根数描述状态时的导航系统具有较高的导航精度和计算效率。因此深空导航特别是巡航段导航应优先使用轨道根数描述状态,但是在判断系统可观测性时要首先判断非线性强度问题。

基于HLA的深空探测系统仿真平台

为了仿真验证深空探测中的自主技术,采用基于HLA(High Level Architecture)的分布式仿真技术以及三维视景仿真技术,设计了分布式可视化深空探测系统仿真平台;实现了通用的联邦成员主体软件框架,该软件框架可嵌入不同的仿真实体模块,提高了项目开发的效率。以月球探测器软着陆仿真为例,验证了此仿真平台的可行性。该仿真平台也为进一步验证深空探测的自主技术奠定了基础。

基于改进预测制导的深空撞击探测末制导律

考虑到机动时机的选取和最终撞击的精度,针对小天体高速撞击任务的特点,设计了一种改进的末段预测制导律。该制导律引入点位误差椭圆来描述导航精度,并基于撞击器与目标的矢量计算出零控脱靶量,以此作为确定机动时机的指标来驱动预测制导律的执行与误差的校正。通过蒙特卡洛仿真分析表明:使用该制导律的GNC系统在节省燃料的同时,可以提高最终的撞击精度。

不确定性条件下的深空探测器观测调度

以不确定性条件下的深空探测器观测调度问题为研究对象,首先分析了深空探测任务的背景特点,指出深空探测活动具有高度不确定性,进而全面分析了深空探测器观测调度中的不确定性因素,提出了基于鲁棒调度和动态重调度的深空探测器调度体系,并针对其中的动态重调度单元进行了深入研究。详细设计了改进的混合动态重调度策略和基于群体智能的深空探测器动态重调度方法,最后提出了基于时间成本、效率和稳定性的重调度性能评价体系。

三轴稳定深空探测器的自主姿态制导

针对深空探测器定向任务、定向手段和姿态约束的多样性,需要为探测器制订多种三轴姿态定向方案;同时深空环境对姿态敏感器选用造成了限制,使得从控制回路外部引入参考姿态指令成为必然。对此提出姿态制导的概念,给出了参考的姿态参数的星上实时计算方法,该算法利用自主导航信息,从矢量代数和矢量运动学的途径给出了定向任务所需的参考姿态和参考姿态角速率。制导方法经过了小天体探测多任务模式姿态控制数学仿真与演示的验证,能满足多种定向方案对姿态控制指令提出的算法通用、实时计算、便于星上自主实施的要求。

深空自主光学导航小行星筛选与规划方法研究

深空探测器的自主光学导航是深空探测器自主的关键技术之一,而导航路标——小行星的选择与拍照序列的规划是深空探测自主导航的重要内容。基于探测Ivar小行星的设计方案,在导航小行星筛选方面,提出了基于小行星可见星等、距离、相对速度以及视线夹角的筛选准则,并利用综合评估的方式进行导航小行星的筛选;拍照序列规划方面,提出差额筛选的策略优化导航性价比,并利用改进的遗传算法进行规划。数学仿真结果表明,该方法能够有效地进行小行星的选择与拍照序列的规划。

深空巡航段自主光学导航方案研究

深空探测任务中时间最长的阶段就是星际巡航段，在此阶段进行自主导航安全性高，并且可以极大地减少任务费用，是当今研究的重点。本文针对飞行器巡航段的特点，研究了一种基于多颗小行星光学信息的自主导航方案，包括导航星的确定、导航系统的建立、导航算法的研究。通过对导航小行星进行筛选和优化，形成了统一的导航小行星选取准则；通过对非线性导航系统进行可观度分析，得到了一次导航过程中合理的导航星个数，从而形成了小行星列表。最后基于观测手段的特点，利用基于UD分解的递推加权最小二乘滤波设计了导航算法，并通过可观测性分析确保了算法的可行性和可靠性。仿真结果表明了导航方案的设计是合理的，导航算法能够满足未来深空探测巡航段导航的精度要求。

一种改进的探测器控制策略及在深空编队中的应用

针对未来深空探测编队任务，给出了一种改进的编队控制策略。首先，基于探测器之间的相对位置测量信息，设计编队层面上的总体最优控制策略，即全局的、集中式控制策略，此策略无需探测器间通讯，只需局部测量信息；然后，发掘相对位置测量间的信息冗余，进而设计一组分散式的控制器，这组控制器与原全局控制器具有等效的稳定性和系统性能，并且对相关通讯问题进行了分析；接着，利用上述分析结果，给出一套基于LMI和相对位置测量的控制方案，使得在满足编队队形调整的条件下，分别满足燃料消耗最小和质心位置不变的约束；最后给出了仿真实例及相关分析。

深空探测器的非线性非高斯自主导航分析

深空探测器自主导航任务中，基于日一地矢量方向及多普勒太阳径向测速的天文导航方案易实现精度高。然而，轨道确定过程中可能存在初始状态估计误差较大、状态及量测误差不服从高斯分布等问题，常规的EKF（Extended Kalman Filter）、UKF（Unscented Kalman Filter）及PF（Particle Filter）等滤波方案对系统模型做了高斯化近似处理，致使导航精度降低。本文将UPF（Unscented Particle Filter）引入导航方案中，利用其在处理非线性非高斯问题上的优势，克服了传统滤波方案对非线性非高斯状态模型、量测模型的近似处理所带来的精度影响。通过三种滤波方案的数值仿真比较，表明了UPF方案的可行性。

面向自主运行的深空探测航天器体系结构设计及自主任务规划方法

传统的航天器运行管控方式严重依赖地面指控、人力成本耗费大且对任务响应时间长,难以满足深空探测远距离通信时延突出的任务特点,航天器的智能化水平亟待进一步提高.本文通过对航天器自主运行问题进行系统地分析,提出一种基于多智能体的航天器自主运行的体系结构,面向自主系统结构、运行流程等进行了设计.重点针对小行星探测任务,提出了一种包含平台和载荷任务管理的两阶段航天器自主任务规划算法设计方案,能够实现平载一体的航天器自主任务管理,根据高级任务目标输出完整的指令序列.并通过自主任务规划仿真,对相关算法和模型的正确性和可行性进行了可视化验证和分析,为航天器自主运行技术研究提供了一种有益的思路和方法.

深空探测器复杂约束姿态机动规划

由于深空探测器任务的多样性，星载敏感器件将越来越多，为了保证敏感器件的安全性，探测器姿态机动路径就需要进行合理的前期规划。针对载有多个敏感器件的深空探测器姿态机动，考虑到探测器始末状态、动力学约束及天体约束，本文提出基于遗传算法的姿态节点搜索、路径检验和节点推进联合解决姿态路径规划问题的方法。该方法将中问节点的搜索问题转化为函数的求最值问题，得到满足约束的中间节点，然后对节点之间的姿态进行逐步检验，并根据检验结果判断是否进行新一次搜索，最终得到可行姿态路径。仿真结果证明了方法的可行性，完备性，有效地解决了复杂约束姿态路径规划问题。

面向深空探测任务的技术集成与地面演示验证平台体系

本文对深空探测技术集成与地面演示验证系统的设计组建展开了深入详细的研究。在对技术集成验证系统的功能要求进行综合分析的基础上，完成了平台体系框架的设计，形成了开放式、可扩充的演示试验与评估验证平台。为深空探测的自主技术验证提供了多方案比较和方案优化的评估工具及飞行任务规划与分析工具。

基于点云深度学习的对称结构空间目标相对位姿测量

针对对称结构空间目标相对位姿解算过程中点云误匹配带来的误差问题,提出一种基于点云深度学习的对称结构空间目标相对位姿测量方法。首先设计空间目标点云特征提取网络及关键点回归网络,将位姿测量问题转换为空间目标点云关键点回归问题,通过两个并行的回归网络分别输出空间目标平移向量和具有固定标签的目标点云三维边界框角点;其次利用具有连续稳定标签的角点求解目标姿态,可有效解决目标的对称结构导致的点云误配准问题;最后通过仿真数据集的实验表明,该方法相比于传统的点云配准方法有更高的准确率,能够精确求解具有对称结构的空间目标相对位姿。