基于构型信息的小卫星编队自主导航技术研究

密级:非涉密（公开）硕士学位论文基于构型信息的小卫星编队自主导航技术研究作者姓名：张晓磊指导教师:郑建华研究员高东副研究员中国科学院空间科学与应用研究中心学位类别:硕士学位学科专业:飞行器设计研究所:中国科学院空间科学与应用研究中心2015年5月Small-satelliteFormationAutonomousNavigationTechnologyBasedontheConfigurationInformationByZhangXiaoleiAThesisSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofspacecraftdesignCentreforSpaceScienceandAppliedResearch,ChineseAcademyofSciencesMay,2015声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他人已发表或撰写过的材料，也不包含为获得其它教育机构的别种学位或证书而大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：论文使用授权说明本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：见证人：日期：摘要I摘要小卫星编队具有许多综合性大卫星所不具备的优点，是近年来的研究热点。编队卫星的自主导航是编队飞行的关键技术之一，因此，本文针对小卫星编队的自主导航问题进行了研究。本文提出的自主导航方案都是以编队构型信息为基础的。编队构型信息是指：编队卫星的星间距离信息、星间相对角度信息。可以直接采用这些信息对编卫星相对轨道进行确定，也可以对编队卫星的绝对轨道进行修正。首先，本文提出了基于一种类似导航星座的相对轨道确定方案。主星对其中的两颗从星基于测距和测角的方式确定出从星的相对位置，然后主星和这两颗从星组成基准星座，再对其它从星进行星间测距，来确定其余从星的相对轨道。在此基础上还研究了被确定从星到基准星所在平面的距离对相对轨道确定精度的影响，并进行了数值仿真。其次，本文研究了卫星存在姿态误差情况下基于星间测距、测角方案的相对轨道确定问题。采用星敏感器对卫星进行姿态测量，建立了卫星存在姿态误差时的测量模型，将姿态误差和相对轨道状态共同作为状态量，采用卡尔曼滤波算法进行估计。验证了卫星编队基于星间测距、测角方案的相对轨道估计精度不仅和测量系统的测量精度有关，还与卫星的姿态误差有关。然后，本文研究了采用星间测距对卫星编队相对轨道进行修正的方案。由于小卫星编队是基于微小卫星空间互联技术，要实现小型化、低成本，这使得星载GPS接收机在性能上有所下降，定位精度较低。针对这种情况，本文提出一种利用单纯星间测距信息对卫星编队相对轨道进行修正的方法。引入星间测距信息，分别采用扩展卡尔曼滤波算法和无迹卡尔曼滤波算法进行了仿真验证，证实了该方案的有效性。同时还研究了测量方程中不含有初始相对速度时对相对轨道的修正情况。昀后，本文提出了采用星间测距、测角信息对编队卫星绝对轨道修正的方案。由于编队卫星相对轨道的确定，不仅可以采用直接测量的确定方案，也可以以卫星的绝对轨道信息为基础，通过作差处理来获得编队卫星的相对轨道状态。因此，卫星的绝对轨道精度将直接影响相对轨道的确定精度。所以，本文提出了在卫星绝对轨道精度较差的情况下，采用星间测距、测角信息来对绝对轨道进行修正的方案。分别研究了采用一次测距信息修正，两次测距信息修正，一次测距、测角信息组合修正，两次测距、测角信息组合修正这四种情况。通过仿真验证，证实了通过星间测距信息可以达到对卫星的绝对轨道修正的目的，多次修正可以提高修正精度，并且加入测角信息后，测距和测角信息的组合使用，可以达到更好的修正效果。关键词：小卫星编队；自主导航；卡尔曼滤波器；构型信息摘要IIIAbstractSmall-satelliteformation,whichhasmoreadvantagesthansinglelargesatellites,hasbeenbecomingthefocusofaerospaceresearch.Asautonomousnavigationiscriticalforsmall-satelliteformation,itisstudiedinthedissertation.Allautonomousnavigationschemesproposedinthedissertationbaseontheformationconfigurationinformation(inter-satelliterangeandrelativeangleinformation).Theinformationcanbeappliedintherelativeorbitdeterminationandabsoluteorbitcorrectionofsmallsatellites.Tobeginwith,relativeorbitdeterminationtechniquewhichissimilartonavigationconstellationisproposedinthedissertation.Therelativepositionoftwofollowersatellitestoaleadersatelliteisdeterminedwithrangeandangleinformation.Andthen,areferenceconstellationissetupwiththeleadersatelliteandfollowersatellites.Withthereferenceconstellation,therelativeorbitofotherfollowersatellitescanbedeterminedbyinter-satelliterange.Theinfluenceoftherangeamongfollowersatellitesandtheplaneofthereferenceconstellationontheprecisionofrelativeorbitdeterminationischeckedbysimulations.Second,therelativeorbitdeterminationbasedonrangeandrelativeanglemeasurement(withattitudedeviation)ofinter-satelliteisstudiedinthispaper.Themeasurementmodelwithattitudedeviationisestablished,andthenattitudedeviationandrelativeorbitisfittedviaKalmanfiltersimultaneously.Simulationshavebeendonetoverifythattheprecisionofrelativeorbitdeterminationisrelatedtotheprecisionofmeasurementsystemandattitudedeviation.Becauseoftheminiaturizationofsmallsatellites,theprecisionofGPSreceiversonthesesatellitesislowandthepositiondeterminationofthesesatellitesislow-precision.Inordertoimprovetheprecision,therelativeorbitcorrectionwithpurerangemeasurementofinter-satelliteisproposedinthedissertation.TheeffectivenessofthemethodistestedbysimulationsusingextendedKalmanfilterandunscentedKalmanfilter.TherelativeorbitcorrectionwithoutinitialrelativevelocityAbstractIVmeasurementequationisalsostudiedinthedissertation.Becauserelativeorbitcanbedeterminedbymakingadifferenceofabsoluteorbit,theprecisionofitisrelatedwiththeprecisionofabsoluteorbitdetermination.Inordertoimprovetheprecisionofabsoluteorbitdetermination,absoluteorbitcorrectionwithrangeandrelativeanglemeasurementinformationofinter-satelliteisproposedandfourdifferentkindsofcorrectioncombinations(oncerangemeasurement,twicerangemeasurements,oncerangewithoncerelativeanglemeasurementandtwicerangewithoncerelativeanglemeasurement)havebeenstudiedinthedissertation.Simulationsimplythattheperformanceoforbitcorrectioncanbeimprovedwithmoremeasurement.Keywords:Small-SatelliteFormation;AutonomousNavigation;ExtendedKalmanFilter;RangeandRelativeAngleMeasurementofInter-satellite目录V目录摘要..............................................................................................................................I Abstract.......................................................................................................................III 目录.............................................................................................................................V 图目录........................................................................................................................VII 表目录................................................................................................