小天体探测序列图像自主相对导航系统可观测性分析

小天体探测对探索宇宙起源、解决地球资源问题具有重要意义,研发小天体探测器及实施小天体探测已成为各国未来发展的重点.受地面测控网指令时延的影响,小天体探测器需自主获取小天体的位置、速度信息,即具备自主相对导航的能力,基于序列图像的自主相对导航系统不仅可提供包含小天体运动信息的角度观测量,还具有低成本、低功耗的优点,是一种理想的小天体探测自主相对导航方法,是目前研究的热点.可观测性分析可评估导航系统的观测能力是研究导航系统的基础.本文针对小天体探测序列图像自主相对导航系统非线性带来的可观测性分析问题,基于微分几何理论,推导了系统0至2阶李导数,建立了系统可观测性矩阵,基于秩判据分析了典型小天体探测轨道流形下序列图像自主相对导航系统的局部弱可观测性.分析结果表明,仅依靠序列图像小天体探测器可完备估计小天体运动状态.此外,本文提出了序列图像自主相对导航系统的可观测度量化方法,并分析了相对轨道流形变化对可观测度的影响,相关结论可指导小天体探测器轨道设计,具有一定的工程实用价值.     

基于天文测角测速组合的小行星探测器自主导航方法

自主导航是保障深空探测任务顺利实施的关键技术之一,本文针对小行星探测器在实际工程任务中对天文自主导航能力的需求,提出了天文光谱测速结合天文图像测角的组合自主导航方法,实现小行星探测器连续自主、实时高精度导航.以主带小行星谷神星探测任务为背景,分析了本文所提出的组合导航方法的可观测性,并基于UKF算法,给出了组合导航系统仿真分析.仿真结果表明,组合导航系统的可观测性更好,对比传统的地面无线电导航或者测角导航方法,导航结果精度更高、实时性更优,可为小行星探测器变轨修正等提供准确的导航信息.本文所给出的组合导航方法有效可靠、工程实现简单,为我国小行星探测工程任务及后续深空重大任务的实施提供参考.     

双体小行星探测协同光学导航方法研究

双体小行星探测已成为当前深空探测的重要领域,提高双体小行星探测器的导航精度是该领域的研究重点之一.本文以球体-椭球体的双体小行星模型为背景,设计了一种基于双探测器对双体小行星光学观测信息和星间测量信息的自主协同导航方案.考虑到从星相对于主星的位置不确知会影响探测器的导航精度,本文设计了对从星状态进行扩展估计的导航滤波器.特别地,通过分析导航系统的可观测度和轨迹约束,本文重点研究了导航观测几何构型并优化导航信息,实现探测器和双体小行星的最优构型配置,从而使探测器沿优化轨迹飞行时导航性能最优,最后通过仿真分析并验证探测器沿优化轨迹飞行时的导航性能.以上研究方法和仿真结果可为我国未来小行星探测提供参考和支持.     

惯性/重力匹配组合导航系统可观测性研究

惯性/重力匹配组合导航系统的导航精度与重力场有很大关系.论文从局部可观测性出发,分析了重力场对该组合导航系统定位精度的影响,认为惯性/重力匹配组合导航系统的位置是局部可观测的,且定位精度受重力场的诸多综合因素的影响.     

角度约束辅助测量的深空探测器自主天文测角导航方法

高精度的天文量测信息是满足深空探测器高精度自主天文测角导航的必要条件.天文测角量测信息多种多样,之间具有几何约束关系,测量误差具有不同特性且符合相应的约束条件.本文提出了一种基于角度约束辅助测量的深空探测器自主天文测角导航方法,该方法以深空探测器轨道动力学模型作为状态模型,以火星、火卫一和火卫二与探测器之间的方位角作为量测量建立量测模型,并对量测量进行角度约束建模,然后利用遗传算法-序列二次规划混合非线性规划方法对角度约束模型进行非线性规划,由于系统模型均为非线性模型,因此本文利用容积卡尔曼滤波对系统状态进行估计,减小随机误差,并分析了天文测角的量测精度对导航精度的影响.仿真结果表明,本文所提方法可有效抑制多源随机量测误差,实现深空探测器高精度自主导航.     

基于序列图像的深空小天体探测自主相对导航误差补偿方法研究

深空小天体是典型的空间非合作目标.基于序列图像的空间非合作目标自主相对导航是实现小天体探测的重要技术手段.由于在轨环境复杂,相机不可避免地会出现测量偏差,进而影响相对导航状态估计精度.本文在充分利用相机视场内恒星序列图像的基础上,通过最小二乘法计算相机在轨标定初值,结合测量偏差状态转移模型和"恒星对"之间的星光角距测量方程,将测量偏差扩维成状态估计参数,构建了基于相机在轨误差补偿的相对导航状态估计模型.结合无迹卡尔曼滤波算法,通过序列图像的帧间信息对比进行迭代估计,获得相机测量偏差和相对导航系统状态,提高状态估计精度.仿真分析中采用2016HO3小天体作为相对导航目标,仿真结果说明了该方法的有效性,能够有效地补偿相机测量偏差,实现相对导航系统状态高精度估计,为后续开展相关任务提供了一定的技术支撑.     

深空探测器VLBI成图技术研究

VLBI天线阵通过交替观测深空探测器与邻近河外射电参考源,所获数据经过相关处理后可进行相位参考成图,获得深空探测器图像.图像中心的位置对应着探测器与位置精确已知的参考源的相对位置,可用于探测器的高精度定位.但VLBI是一种稀疏干涉阵列阵,其成图原理不同于光学成像.本文研究了深空探测器VLBI成图技术,包括目标脏图重建和去卷积图像恢复算法,编写了专门的成图软件ProbeMap.利用该软件,中国VLBI网数据中心完成了对嫦娥三号和火星快车的实测数据成图处理.比对结果验证了本文成图方法的正确性.未来该技术可用于我国月球与深空探测器的高精度成图定位.     

系统可观测性理论与深空探测自主导航方法专题·编者按

近年来,我国月球及深空探测技术发展迅速. 2020年12月17日,随着嫦娥五号返回器携带1731克月壤返抵地球,历经16年我国圆满完成了探月工程"绕、落、回"三步走战略目标,也开启了后续深空探测的新篇章. 2021年2月24日,我国首个行星际探测器"天问一号"进入火星停泊轨道,经过近3个月的环绕探测后,于5月15日成功软着陆,在火星探测史上首次一步实现"绕、落、巡".     

卫星导航系统自主导航技术研究与验证

本文结合全球卫星导航系统自主导航技术发展现状,介绍了自主导航能力的发展特点及重要作用,分析设计了卫星导航系统自主导航体系架构,并对自主导航关键的时空基准保持技术进行了分析,提出了基于星间观测的完全自主导航的滤波算法、滤波状态噪声协方差信息选择方法及自主导航星载数据处理方法.论证了基于地面观测数据(锚固站)的半自主导航方法,比较了不同锚固站分布、数量及观测周期对自主导航性能的影响,并利用一套地面仿真试验系统验证了自主和半自主模式下的精密定轨和时间同步精度,可为卫星导航系统自主导航设计提供参考.     

“十三五”期间中国航天重大工程

正在"十三五"期间,中国从载人飞船、太空空间站、月球和火星探测、对地观测、空间科学、北斗卫星导航等多个方面推进航天重大工程建设,并同时推动航天技术更好更快地服务经济和民生。探月工程——2020年11月24日,"嫦娥五号"飞行器发射并完成月球采样返回任务,中国成为全球第三个自主掌握月球探测返回技术的国家。2019年1月3日,嫦娥四号探测器成功降落在月球背面,人类探测器首次实现月背软着陆。     

系统工程新发展——体系

 介绍了体系和体系工程的含义与特点、体系工程过程、有效的体系结构框架、体系工程的研究热点。从系统科学和系统工程发展历程的角度,阐述了体系和体系工程出现的背景及主要内容,列举了研究工作中存在的不同观点并介绍了当前的研究热点。     

可积系统的守恒律

介绍了一系列的获得无穷守恒律（量）的方法，涉及（1＋1）-维连续的和微分差分型可积系统。     

非线性随机混杂系统的鲁棒耗散控制

针对一类带有多维噪声的带范数有界不确定项的非线性随机混杂系统,通过构造随机跳变系统的随机耗散性理论,给出了该类系统的耗散性定义、耗散不等式,以及系统保证耗散性的充分条件.在此基础上,针对带范数有界不确定项的非线性随机混杂系统,进行鲁棒状态反馈耗散控制,即通过求解线性矩阵不等式,设定状态反馈鲁棒控制器,使得在此控制作用下闭环系统满足耗散性.     

系统工程的使命

该文说明系统工程在中国是伴随着改革开放而发展起来的,人们期望它解决四化建设中的一系列复杂、重大的问题;介绍了这支专业队伍的建立并且取得的一大批应用成果;指出应该继续在实际应用和理论研究两方面开展工作。当前应用研究方面的重点有两大类:各级各类发展战略与规划研究,以及各级各类计算机管理与决策系统研制,提出两种三维结构并分别予以描述。文中提出两项工作,提高系统工程队伍的组织化程度,发挥青年力量的作用。     

2-D变系数RM的分离局部能控(观)性

该文参照定常2-D系统的有关结果,进一步给出了2-D变系数Roesser模型(RM)的分离局部能控性和能观性定义,并对一类可分的2-D变系数RM,导出了相应的分离局部能控和分离局部能观的充要条件。     

系统思维（Ⅳ）

系统科学是二十世纪留给人类社会最重要的科学成果之一,其核心思想就是系统思维。本文介绍了与系统思维相关的10个专题。每一个专题的内容都由三个模块构成：所论专题+有关现有理论+系统经济学视角。这种联系相关专题介绍思维的方法,可以帮助读者更好的理解和掌握系统思维。     

系统思维（Ⅴ）

系统科学是二十世纪留给人类社会最重要的科学成果之一，其核心思想就是系统思维。本文介绍了与系统思维相关的5个专题。每一个专题的内容都由三个模块构成：所论专题+有关现有理论+系统经济学视角。这种联系相关专题介绍思维的方法，可以帮助读者更好的理解和掌握系统思维。     

EIS开发中若干基本问题的探讨

从较广泛的角度讨论了ＥＩＳ的开发问题，给出了ＥＩＳ的开发框架，它能帮助ＥＩＳ的研究者和设计者辩明系统的开发环境，理清与ＥＩＳ开发相关的重要因素及其相互关系，明确研究工作的重点．还讨论了ＥＩＳ的总体结构设计和ＥＩＳ的开发方法，提出了一些在ＥＩＳ开发中需要进一步研究的问题，为ＥＩＳ这一新领域的研究开发提供了理论依据和技术手段．     

一类不确定组合广义大系统的稳定性

一类不确定组合广义大系统所含有的不确定性是时不变未知但范数有界的,对所有容许的不确定性,寻找通过子系统特征,使得该不确定组合广义大系统都是正则的、脉冲自由且稳定的条件。应用线性矩阵不等式方法,给出了完全用子系统特征描述的该类不确定组合广义大系统稳定性的充分条件;作为主要结果的特例,给出了不合不确定项的组合广义大系统的用子系统特征描述的稳定性条件。最后用数值例子说明该方法的应用。     

系统思维（Ⅱ）

系统科学是二十世纪留给人类社会最重要的科学成果之一，其核心思想就是系统思维。本文介绍了与系统思维相关的60个专题。每一个专题的内容都由三个模块构成：所论专题+有关现有理论+系统经济学视角。这种联系相关专题介绍思维的方法，可以帮助读者更好的理解和掌握系统思维。