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宇航学报 2012年第12期33卷 1727-1735页

作者：李轶张善从中国科学院光电研究院北京100094 中国科学院研究生院北京100049 北京国科环宇空间技术有限公司北京100190

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... 详细信息

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。

关键词：无奇点根数相对轨道要素相对自主导航多项式插值滤波编队飞行

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基于GNSS的卫星在轨相对定位技术研究

基于GNSS的卫星在轨相对定位技术研究

引用

作者：李轶中国科学院研究生院

学位级别：博士

为了满足在轨服务、编队飞行、天基目标近距离观测等空间任务对于高精度实时定位与定速的需求，提高航天器自主导航能力，扩展GNSS技术在空间段的应用领域，需要开展基于GNSS的空间在轨相对定位技术研究。\n 本课题针对上述应用需求... 详细信息

为了满足在轨服务、编队飞行、天基目标近距离观测等空间任务对于高精度实时定位与定速的需求，提高航天器自主导航能力，扩展GNSS技术在空间段的应用领域，需要开展基于GNSS的空间在轨相对定位技术研究。\n 本课题针对上述应用需求，充分调研了国内外航天器相对导航任务相关技术发展现状，包括基于GNSS信号的测量方案、相对运动轨道动力学建模、非线性滤波算法理论以及多模GNSS技术等，提出了课题具体研究内容与方案。包括基于相对无奇点根数的航天器相对运动动力学建模、基于差分GNSS的合作目标在轨相对定位定速算法、多星座组合导航兼容性模型研究以及基于多项式插值法的非线性滤波算法研究。\n 文章首先对课题的各应用领域对于相对导航精度需求进行了详细的需求分析，之后对国内外的相关技术发展背景和研究现状做了充分详实的调研，分析了航天器在轨相对自主导航技术的未来发展趋势，并形成了最终的调研结论，在此基础上，明确了本课题的的任务概念与范围，提出了系统设计思想、观测方案以及算法的框架结构，作为全文技术路线的指导思想。\n 面向相对导航对于高精度相对运动动力学模型的需求，对航天器相对运动方程进行了整理和推导，分析了传统的基于代数学方法的动力学模型对于本课题应用的局限性，设计了基于几何变换的相对运动模型。针对传统的开普勒六根数的奇点问题定义了相对无奇点轨道根数，并在此基础上建立了基于相对无奇点根数的几何法轨道动力学方程，引入了地球J2项摄动，可以得到解析解，适用于椭圆轨道航天器。通过数值仿真，将本模型与代数学动力学模型进行了对比和分析，证明了基于相对无奇点根数的几何法动力学方程模型精度有显著提高。\n 面向相对导航对于高精度观测模型的需求，同时为了充分发挥GNSS技术在空间相对导航中的作用，进行了基于差分GNSS观测量的相对导航策略研究。分析了GNSS观测信号的误差修正方法，建立了差分GNSS伪距方程，研究了GNSS信号波阵面非平面修正算法和周跳探测方法；利用双差载波相位平滑伪距，提高伪距精度的同时降低了运算复杂度。在上述基础上，论证了GPS/XX组合观测模型的可行性，进行了可见性分析和几何精度因子(GDOP)分析，定量的论证了多星座GNSS组合相比单一星座的优势。随后建立了基于GPS/XX组合观测的时空参数统一方法和定位解算模型，制定了GPS/XX组合观测和差分GNSS伪距进行定位解算的算法流程，通过仿真实例对上述算法的精度进行了验证。\n 为了进一步提高星间相对定位与定速的精度，文章研究了基于二阶多项式插值法(DDF2)的非线性滤波算法研究，用于对相对导航过程进行状态估计。利用基于相对无奇点根数的相对运动模型作为状态方程，利用差分GNSS模型作为测量方程，对非线性系统的统计特性近似到了二阶程度，避免了舍入误差的积累，保证了状态估计的稳定性。在精确的相对运动模型和观测模型基础上，进一步提高了相对导航精度。通过仿真实例对比了DDF2、EKF和UKF算法的滤波精度，证明了算法的有效性。在此基础上，文章深入研究了相对运动轨迹的线性化程度对于导航精度的影响，设计了三种线性化程度不同的相对运动模式，建立了各自的动力学方程，在上述三种相对运动模式下分别比较了EKF和DDF2的精度、稳定性和计算时间，提出了不同任务轨迹下的滤波器优选方案。\n 为了使本课题方案更加符合实际应用需求，提出了一种分布式滤波方法，将相对导航滤波算法由传统的单星完成分解至多星并行联合实现，提高了系统的可靠性和鲁棒性，并有效避免了单点失效问题。在详细对比分布式滤波与集中式滤波的优缺点基础上，针对实际应用中存在的问题，对分布式滤波结构作了初始化误差修正和参数自适应优化设计，使之更符合工程应用。之后提出了测试系统设计方案，验证了四星编队的相对导航精度，证明了分布式滤波结构在提高系统鲁棒性、可靠性、可扩展性的同时，保证了导航精度。\n 文章最后对全文工作进行了总结，提炼了创新点，并对后期的工作进行了初步展望和规划。\n 本文研究成果对于提升卫星的自主生存和自主管理能力、减轻地面站负担、提高星间相对定位精度的实时性和可靠性有着重要意义。

关键词：航天器星间相对定位相对无奇点根数多项式插值滤波差分GNSS 多星座组合导航

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