文档介绍：工学硕士学位论文
大椭圆轨道航天器自主导航滤波算法研究
FILTER ALGORITHM ON SPACECRAFT
AUTONOMOUS NAVIGATION IN LARGE
ELLIPTICAL ORBIT
李易洁
哈尔滨工业大学
2012 年 7 月
国内图书分类号:TP273 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学硕士学位论文
大椭圆轨道航天器自主导航滤波算法研究
硕士研究生: 李易洁
导师: 马广富教授
申请学位: 工学硕士
学科: 控制科学与工程
所在单位: 控制科学与工程系
答辩日期: 2012 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TP273
:
Dissertation for the Master Degree in Engineering
FILTER ALGORITHM ON SPACECRAFT
AUTONOMOUS NAVIGATION IN LARGE
ELLIPTICAL ORBIT
Candidate: Li Yijie
Supervisor: Guangfu
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Control Science and Engineering
Affiliation: Dept. Control Science & Engineering
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
随着航天技术的广泛应用,空间攻防等任务对航天器自主导航能力提出了越
来越高的要求。本文以大椭圆轨道为背景,对航天器的自主导航问题进行了系统
深入的研究。
在多种导航方案中,捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System,
SINS)为完全自主的导航方式,短时间内的导航精度较高,但是导航误差会随时间
累积,导致导航精度下降,在长时间工作条件下,需要增加其他测量装置对其误
差进行校正。航天器在低轨道飞行过程中,卫星导航系统(GPS)信号良好,因此采
用 GPS 辅助惯导系统的组合导航方法,。而在
中高轨道飞行过程中,卫星导航系统信号比较弱,考虑到 SINS 力学编排中姿态矩
阵的计算精度对整个系统的导航精度影响比较大,因此提出用星敏感器校正陀螺
漂移的 SINS S)的组合导航方法,同样达到了提高导航精度的目的。
本文主要工作包括以下几个方面:
首先给出捷联惯性导航系统在地心惯性坐标系下的导航方程,以及地球非球
形摄动、大气阻力摄动、太阳光压摄动和日月摄动的计算式;应用 Cowell 摄动法
得到航天器的轨迹信息,包括位置、,同时分低轨与中高轨两
种情况对摄动加速度进行了仿真,作为 SINS 的比力信息;建立陀螺、加速度计的
仿真模型。最后对系统进行了数学仿真分析,结果表明 SINS 随时间导航精度下降,
不宜长时间单独工作。
其次,在低轨道飞行情况,分析了 GPS 的工作原理,与 SINS 相结合,建立
SINS-GPS 组合导航系统状态误差方程和量测方程,应用联合校正、松组合方式的
扩展卡尔曼滤波器对系统进行了仿真分析。仿真结果表明组合导航方式大大提高
了系统导航精度,从而验证了 SINS-GPS 组合导航系统的可行性。
最后,针对中高轨飞行过程中 GPS 不可用情况,提出了采用星敏感器辅助 SINS
的组合导航方法,并应用扩展卡尔曼滤波(EKF)技术对航天器导航系统进行了仿真
验证。仿真结果表明 S 组合导航比 SINS 单独工作时航天器的导航精度有
较大提高。
关键词:大椭圆轨道;捷联惯性导航系统;组合导航;卡尔曼滤波
- I -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
With the extensive application of space tec