中高軌道衛(wèi)星自主導航與軌道控制的研究.pdf

1、傳統(tǒng)對衛(wèi)星的導航與軌道控制模式是采用地面遙測遙控的方式，利用地面站在可見弧段內(nèi)對衛(wèi)星跟蹤并進行數(shù)據(jù)處理，獲取衛(wèi)星的軌道姿態(tài)等信息，同時根據(jù)任務要求，將遙控指令上傳至衛(wèi)星，實現(xiàn)相應的控制操作。隨著航天技術的不斷發(fā)展和衛(wèi)星功能的增強，這種模式已不能滿足控制管理的復雜程度不斷增大的導航和軌控系統(tǒng)的性能要求，特別是對于地面測控范圍之外的某些飛行任務。這使得衛(wèi)星的導航逐步由非自主、半自主向自主發(fā)展，同時軌道控制也由完全的地面測控向自主控制方向發(fā)展

2、。作為衛(wèi)星自主運行能力的兩個重要方面，衛(wèi)星的自主導航與軌道控制在近階段取得了不少研究成果，但仍有許多問題亟待解決并對現(xiàn)有的導航和軌控方法提出了新的要求。對中高軌道衛(wèi)星而言，導航精度的提高在很大程度上取決于濾波方法，我們在追求濾波方法改進的同時，也要兼顧系統(tǒng)的計算量等實際工程因素；天文導航盡管相對成熟，但其受限于導航敏感器，精度有限；作為軌道控制的一個重要方面，中高軌道衛(wèi)星的位置保持控制常常出現(xiàn)多個軌道要素需要同時控制的情況，也就是需要解

3、決多個軌道要素協(xié)調(diào)控制的問題。本文針對上述問題，研究了中高軌道衛(wèi)星自主導航與軌道控制技術，在此基礎上，對單個衛(wèi)星的導航與軌道控制問題進行擴展，研究了基于測距與定向觀測的星座自主導航與構(gòu)型保持控制技術。本文主要內(nèi)容包括：
　　1）針對導航敏感器輸出異常的情況，提出一種將強跟蹤濾波(Strong Tracking Filter,STF)和UKF(UnscentedKalman Filter,UKF)相結(jié)合的濾波方法，并進一步采用部分狀

4、態(tài)信息作為間接觀測量，使濾波器的設計得到簡化。最后將該方法應用于衛(wèi)星自主導航系統(tǒng)中，仿真結(jié)果表明，該方法在敏感器輸出出現(xiàn)突變或緩變異常時，能夠迅速檢測出異常，在保證較高估計精度的同時，提高了系統(tǒng)的可靠性；針對系統(tǒng)在有限推力下進行軌道機動的情況，提出一種基于ISRUKF(Iterated Square Root UnscentedKalman Filter,ISRUKF)和EKF(ExtendedKalman Filter,EKF)模式切

5、換的導航方法，該方法利用設計的模式切換函數(shù)和誤差閾值，自適應地在兩種濾波方法之間切換。最后，通過開展相關的地面仿真試驗，驗證了所提方法的有效性。
　　2）考慮到目前適用于中高軌衛(wèi)星自主定軌的天文導航手段受限于導航敏感器，其精度有限，提出采用多星座信息確定中高軌衛(wèi)星軌道的方法。針對各星座系統(tǒng)存在時間同步差異的問題，將各個星座系統(tǒng)的時鐘同步誤差作為導航系統(tǒng)的狀態(tài)變量進行實時估計，實現(xiàn)軟同步；針對高軌衛(wèi)星接收到的導航衛(wèi)星信號微弱、量測噪

6、聲的不確定性大的問題，對濾波器中的量測噪聲方差陣進行實時在線調(diào)整。最后，通過數(shù)學仿真驗證了所提方法的優(yōu)越性。
　　3）針對中高軌衛(wèi)星自主位置保持中多個軌道要素需要同時控制的情況，提出一種基于自主控制體系結(jié)構(gòu)的位置保持方法，制定各軌道要素控制的優(yōu)先級，并分析了不同控制精度指標下的控制次數(shù)和燃料消耗。最后，通過開展相關的地面仿真試驗，驗證了所提方法的有效性；針對傳統(tǒng)基于絕對軌道動力學的中高軌衛(wèi)星位置保持控制時，由于間斷控制引起的控制精

7、度提升空間有限的問題，提出一種基于相對軌道動力學的位置保持方法，將中高軌的標稱位置看作控制目標點，并采用LQG（Linear-Quadratic-Gaussian，LQG）方法實現(xiàn)相對控制。最后，通過數(shù)學仿真驗證了所提方法的優(yōu)越性。
　　4）考慮到星座在整體性、時效性方面的優(yōu)勢，在單星導航與軌道控制的基礎上，研究星座的自主導航與構(gòu)型保持控制問題。采用星間測距+星間測向的組合導航方法，以軌道根數(shù)為狀態(tài)量，引入測向信息消除星座整體旋轉(zhuǎn)