一种基于视线矢量的双星系统自主导航方法研究

研究了近地绕飞双星系统的自主定轨问题,设计了一种基于相对视线矢量测量的自主导航方法.本方法利用导航相机观测双星之间的相对视线矢量,并转化为相机坐标系下的像元像线,从而得到导航系统的量测模型;然后结合卫星的轨道动力学方程,通过扩展卡尔曼滤波算法精确估计双星在地心惯性系下的位置和速度共12个分量.最后,通过数学仿真验证了此导航方法的可行性.     

基于轨道根数差的卫星编队自主定轨研究

设计一种应用于卫星编队的自主相对轨道确定方案。不同于目前广泛采用的Hill方程,采用轨道根数差的形式描述编队卫星间的相对运动规律,选择“无线电 激光”的组合测量方法,利用星间距离信息与方位信息作为观测量,设计扩展卡尔曼滤波器实现环绕星相对轨道的自主确定。仿真结果验证了这种导航方案的有效性。     

基于EKF残差向量的编队卫星测量器件故障诊断

针对同时采用两个测量装置,即无线电和GPS的编队卫星可能发生的测量器件硬故障情况,提出了两种基于解析余度的状态估计故障诊断方法。即首先分别采用无线电测量和GPS测量得到的测量数据作为观测量并联合编队卫星的相对状态进行广义卡尔曼滤波,然后得到残差序列,基于该残差序列设计出了残差加权平方和检验法和残差χ2检验法,最后通过仿真实例对所给出检验方法进行了比较。     

基于一致性算法的卫星编队姿轨耦合的协同控制

针对卫星编队一主多从结构的相对轨迹、姿态的协同控制问题,提出了一种基于Lyapunov方法的编队飞行协同控制策略。该控制策略将分布式控制思想引入卫星编队飞行的相对轨迹、姿态的动力学系统中,使各从星保持编队构型的同时沿期望轨迹相对主星绕飞。从理论上证明了系统的渐近稳定以及对外部干扰的抑制,并基于一致性算法理论定量地分析了通信拓扑结构为有向图情况下控制器参数的选择范围。此外,利用星星间的相对位置信息确定各从星的期望姿态和角速度,以确保对卫星编队进行姿态协同控制,达到跟踪同步的目的。最后将提出的算法应用于卫星三角形编队飞行的协同控制,仿真结果表明该方法的可行性与有效性,具有潜在的应用前景。     

利用互模糊函数联合估计的双星高精度定位技术

针对高精度双星定位系统对参数测量精度的需求,围绕解决高精度时差/频差测量的技术问题,建立了利用双星对地面辐射源定位模型,通过定位精度分析,给出了高精度定位对时差/频差测量精度的要求。通过分析高精度时差/频差测量的各种方法和技术途径,提出了一种利用互模糊函数进行时差/频差联合估计的方法。仿真实验结果表明该方法可以适应各种脉冲信号类型,测量精度较高。     

基于脉冲星相关的编队航天器间相对距离的确定

针对编队航天器间相对导航的需要,提出了利用脉冲星的脉冲接收信息确定编队航天器间相对距离的方法。该方法利用编队航天器对同一脉冲星的观测信息,将不同航天器接收的脉冲星信号进行相关处理而获得航天器间相对距离。同时通过对脉冲星频谱特征的分析,给出了相对距离估计的精度。结合实际的编队航天器系统的轨道信息进行了仿真,结果表明,利用相关估计的方法可以完成航天器间的相对距离确定,为今后航天器编队飞行的应用提供了新的技术支持。     

基于摄动的不稳定编队协同控制系统仿真

编队卫星构形精确保持是实现分布式卫星任务的关键技术。基于摄动对编队相对轨道构形的影响,针对卫星轨道半长轴有偏差的不稳定编队,设计了一种基于视线测量无主星编队的循环协同控制系统。编队中每一颗卫星跟踪自己轨道前方邻近卫星,产生一个视线测量矢量,编队的第一颗卫星追踪最后一颗卫星,产生循环编队,将编队卫星之间的视线距离作为反馈控制量来实现队形控制,文章给出了相对摄动力方程和控制系统的仿真算例,仿真结果表明,该循环协同控制系统能够实现队形控制的稳定性。     

无人机全局渐近稳定自动编队飞行控制研究

研究了无人机在"长机-僚机"编队结构中僚机的编队保持自动驾驶仪控制算法.首先提出了一个基于两机相对位置动力学的控制算法,但该算法在状态空间中存在奇异点,因此又提出了一个在惯性坐标系中基于新的误差形式的无奇异点的编队控制算法.最后证明了该算法在整个状态空间中的全局渐近稳定性并进行了数值模拟,说明该控制算法具有较好的性能.     

基于脉冲星和双星定位系统的卫星自主定轨

提出了一种利用X射线脉冲星辐射到达时间 (time of arrival, TOA) 测量辅助双星定位系统进行轨道卫星迭代定轨方法,建立了双星可见观测弧段内基于双星距离和观测数据与脉冲星辐射TOA测量的组合量测方程,并应用于EKF(extend Kalman filter),针对几种量测值组合进行了仿真实验。结果表明,在双星覆盖轨道周期内利用脉冲星辅助一颗双星和辅助两颗双星迭代定轨精度分别达到了100 m和50 m水平,而在双星不可见弧段可利用脉冲星进行粗定轨,有效增强了全轨道周期内卫星定轨的自主性。     

一种基于相对模型的分布式预测控制算法研究

针对分布式系统中高精度的相对状态比绝对状态更易获取的特点,提出了一种基于相对状态模型的分布式预测控制方法.该方法的本质是各子系统通过预测其与相邻子系统的相对状态轨迹来求解分布式最优控制问题.与常规基于绝对状态的分布式预测控制方法相比,该方法的特点在于通过相对状态模型的引进改进算法的实时性,并通过减少测量噪声源提高控制精度.该方法适用于一般非线性分布系统,且在满足一定条件下能够保证整个系统的渐近收敛性.最后,在Matlab仿真环境中将该方法应用于多机器人编队控制中,并验证的该方法的可行性.     

编队卫星InSAR空间基线修正的建模与精度分析

星载GPS接收机相对定位获得的编队星间基线,与用于星载InSAR测高的基线并不相同.给出了从GPS测量基线到InSAR测高基线的关联建模,包括天线相位中心与几何中心的偏差修正、GPS接收机到SAR天线的安装部位修正以及基线矢量的坐标系转换等环节.推导了基线的修正和转换公式,并进行了相应的精度分析.对于极限基线之内的宽编队,相位中心变化造成的基线差别在亚毫米量级,一些时刻达到与测高基线精度指标相当的厘米量级,必须加以修正;在编队中由于三轴稳定卫星之间的相对姿态数值通常较小,坐标系转换误差引起的基线修正误差在亚毫米量级.     

基于无模型无迹粒子滤波的编队卫星相对运动估计

由于地球引力和大气阻力等因素造成的模型不确定性,使常规滤波方法用于卫星编队飞行相对运动估计时精度不高。为克服这种影响,提出了一种融合高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)的无模型无迹粒子滤波(model free unscented particle filter, MF-UPF)方法。对近圆轨道的双星编队问题,新方法通过高斯过程回归对已有的量测数据学习建立相对运动模型, 有效地避免了模型不确定性造成的滤波性能下降。仿真对比验证了无模型无迹粒子滤波在编队飞行相对运动估计中的优越性。     

基于Multi-Agent的编队飞行卫星体系结构研究

卫星编队的自主运行与管理能够节约大量成本,并能充分发挥卫星编队的整体功能,是编队飞行的关键技术之一。Multi-Agent系统的一些基本特性正好满足了卫星编队自主性的需求,因此从Agent概念出发,分析了将Agent技术应用于卫星编队的优势,研究了基于Multi-Agent的卫星编队垂直分层体系结构,并详细描述了每个层中各子Agent的功能,最后给出了卫星编队的一般协同工作流程,并针对基于Multi-Agent编队飞行系统,提出了几项需要解决的关键技术。     

基于处理器在回路的卫星编队仿真验证系统

为了验证星载计算机的软/硬件性能,建立了以两个星载计算机为核心的卫星编队仿真验证系统。介绍了该系统的软、硬件构成,重点解决了动力学仿真机与星载计算机CAN总线双向数据传输、动力学仿真机以及星载计算机的进程同步、星载计算机的无线通信以及实时驱动STK场景动画显示等问题。在成功实现系统的基础上,进行了双星编队自主维持控制仿真。仿真结果校验了系统设计的合理性以及软硬件接口的正确性。

Abstract：

To verify the software and hardware performance of the on-board computer, a demonstration simulation system for formation flying satellites was established based on two on-board computers. The software and hardware architecture of the simulation system were introduced, and the key problems of the data communication between the dynamic simulation computers and the on-board computers via CAN bus, the synchronization of the dynamic simulation computers and the on-board computers, the wireless communication of the on-board computers, and the real-time visualization animation by driving STK were solved. Based on the developed processor-in-the-loop simulation system, the autonomous formation keeping control for dual satellites was performed. The simulation results demonstrate the validity of the simulation system and the correctness of the software and hardware interfaces.     

三飞行体间欠冗余相对定位

自主协同工作的多飞行体间需通过相对定位确定彼此间的位置关系。针对三飞行体相对定位的欠冗余问题,提出了基于多假设最小均方估计的相对定位算法。首先,算法根据不同飞行体间惯性导航信息相对误差的分布函数,建立了多假设模型;然后,依据不同模型对飞行体的相对位置进行最小均方估计;最后,通过对不同估计结果的加权,实现飞行体间的动态相对定位。为了进一步提高相对定位的精度和稳定性,基于最优线性估计模型,提出了一种线性融合算法,实现三飞行体各自的定位结果的有效融合。仿真表明,本算法在观测信息欠冗余的情况下,可以实现三飞行体间的精确相对定位,且具有较高的稳定性。     

无码载波频率初值估计与导航星识别

当导航卫星的民码信号不可用时,利用无码载波恢复技术测量各个导航卫星的多普勒频移能够实现多普勒定轨。针对伪码未知的情况,提出了基于相位补偿及数据块累加来增强信号,并结合快速傅里叶变换估计载波频率的方法;为解决无码条件下的导航卫星识别问题,提出了一种基于多普勒频移特征的导航星识别方法,研究了基于三分法快速搜索优化平移量的匹配算法,并采用全局匹配、局部剔除的策略来提高卫星识别的全局可信度。仿真结果表明,对于80 ms的卫星中频数据,无码载波频率估计误差保持在7 Hz之内,并且正确估计的卫星数在9颗以上;在考虑先验参数不精准及测量误差的情况下,正确识别的卫星数大多为6颗及以上,满足定轨要求的最少卫星数目。     

混合式微小卫星编队飞行控制仿真系统设计

提出了一种混合式的微小卫星编队飞行控制仿真系统。该系统由三个节点组成,即两个模拟卫星和一个控制中心,节点之间通过星间网络进行数据交换。模拟卫星由星上计算机和各种星上敏感器和模拟执行器构成。星上计算机接收星上敏感器的物理输出,并经过星地转换模型对传感器数据进行修正。在一定的控制策略下,卫星控制模型进行计算产生控制输出,控制输出在控制界面上进行显示,并同时作用于传感器修正模块,实现系统的闭环控制。控制中心主要提供强大的计算功能,也可以单独构成一颗数字卫星。在这个控制仿真系统中,能够进行多种控制策略的仿真,包括双星主从控制、双星协同控制、三星主从控制、三星协同控制以及单星失效模式等。     

基于距离测量的双领航AUV间协同导航算法

针对多自主水下航行器(AUV)编队中因领航AUV一时无法借助外部有源位置信息进行实时校准,自身定位误差逐渐增大可能导致的编队解体问题,提出了一种基于距离测量双领航AUV间协同导航算法.在给出领航AUV航位推算误差模型的基础上,首先设计两个领航AUV分别基于忽略对方位置误差的估计自身误差的滤波算法,然后提出其位置误差的分别修正算法,最后通过对位置误差估计的可观测性分析,指出在直线航行条件下两个领航AUV可通过加、减速进行相对机动,保证其可观测性.仿真结果表明:两个领航AUV存在航位推算位置误差的情况下,随着滤波时间增加其定位误差可逐渐趋同,并收敛到其经、纬度定位误差的均值,验证了本文所提协同导航算法的可行性和有效性.     

X射线源/地心矢量观测的卫星自主导航应用

针对X射线探测器的卫星自主导航应用,提出基于X射线源/地心矢量观测的航天器自主天文导航方法。研究了X射线源/地心矢量自主导航原理并给出自主导航系统方案。通过X射线源和地心矢量提取,合成了X射线星光角距和星光仰角观测模型。对X射线源矢量方位观测误差和地心矢量方位观测误差引起的系统观测量残差进行了理论分析,并将其建模为缓变量。建立了卫星运动状态方程模型,并将无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)算法应用于自主导航过程中,针对观测量周期与导航周期异步的情况给出了导航解算方案。近地圆轨道卫星的自主导航仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于编队卫星的SAR高方位向分辨率成像

针对编队卫星被动工作方式下提高SAR方位向分辨率的构型,在建立信号回波模型和详细分析提高方位向分辨率原理的基础上,提出了对基线的要求及频谱合成算法。该算法充分利用了编队卫星SAR系统中不同接收机的视角信息,有效地完成了多组不同多普勒位置的信号相干合成,实现了系统分辨率的提高。计算机仿真结果表明该算法具有良好的性能。