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基于合成孔径雷达的卫星自主导航算法研究

作 者: 汪瑞良
导 师: 张迎春
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 控制科学与工程
关键词: 合成孔径雷达 自主导航 连续观测弧度 间断观测弧度 扩展卡尔曼滤波 Unscented卡尔曼滤波 卡尔曼平滑
分类号: V448.22
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 47次
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内容摘要


随着航天技术的发展,人造卫星的应用越来越多,航天器的自主生存能力已成为世界各国备受关注的关键技术之一。航天器的自主导航技术是航天器自主性的一个重要方面,也是航天技术发展的一个趋势。它在减轻地面测控系统的负担、降低航天器自主运行费用、提高航天器的生存能力方面具有重要意义。本文研究了一种新的航天器自主导航方法—基于合成孔径雷达(SAR)的卫星自主导航方法。本文的主要研究内容包括:根据合成孔径雷达对地观测的特点,结合合成孔径雷达的距离—多普勒频移方程,分析了基于合成孔径雷达的自主导航原理,并以卫星到地面标志点的距离作为观测量,建立的自主导航的观测方程。接着分析了影响观测方程的几个因素,包括测量精度,地面标志点的位置误差,以及标志点之间的基线长度,并分析了它们对导航性能的影响。针对SAR观测弧度连续的情况,采用了扩展卡尔曼滤波器(EKF),并对测量精度、地面标识点的位置误差、地面标志点之间的基线长度对导航精度的影响进行了仿真分析,验证了之前的分析。接着针对EKF带来线性化误差的问题,采用了基于UT变换的滤波器算法,Unscented卡尔曼滤波(UKF),在相同的仿真条件下,并进行了仿真研究。针对SAR观测弧度不连续的情况,比如只能在中国大陆才能观测情况,定轨误差会出现很大一个尖峰值,采用了基于EKF的固定区间最优平滑算法和基于EKF的固定点最优平滑算法,并通过仿真验证了卡尔曼平滑算法对提高导航精度的有效性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-14
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8-9
  1.2 自主导航的发展现状  9-12
  1.3 自主导航滤波算法的发展  12
  1.4 论文的主要内容  12-14
第2章 卫星运动学模型  14-21
  2.1 引言  14
  2.2 时间系统  14-15
  2.3 参考坐标系及其转换  15-16
    2.3.1 参考坐标系  15-16
    2.3.2 坐标系间的转换  16
  2.4 卫星运动学模型  16-20
    2.4.1 二体运动  17
    2.4.2 卫星运动学模型  17-20
  2.5 本章小结  20-21
第3章 自主导航原理及测量方程影响因素分析  21-32
  3.1 引言  21
  3.2 基于合成孔径雷达的自主导航原理  21-23
    3.2.1 自主导航原理  21-22
    3.2.2 目标距离方程  22-23
  3.3 自主导航状态方程和测量方程的建立  23-26
    3.3.1 状态方程的建立  23-24
    3.3.2 地面标志点的建立  24-25
    3.3.3 测量方程的建立  25-26
  3.4 测量方程影响因素分析  26-31
    3.4.1 电离层的影响分析  26-28
    3.4.2 地面标志点误差的影响分析  28-29
    3.4.3 地面标志点之间基线长度的影响分析  29-31
  3.5 本章小结  31-32
第4章 连续观测弧段下的自主导航研究  32-47
  4.1 引言  32
  4.2 扩展卡尔曼滤波  32-35
    4.2.1 状态转移矩阵的计算  33-34
    4.2.2 观测矩阵的计算  34
    4.2.3 滤波参数的确定  34-35
  4.3 基于EKF的自主导航性能分析  35-43
    4.3.1 SAR测量精度对系统性能的影响  35-38
    4.3.2 地面标志点的基线长度对系统性能的影响  38-40
    4.3.3 噪声因子对系统性能的影响  40-41
    4.3.4 地面标志点误差对系统性能的影响  41-43
  4.4 基于UKF的自主导航性能分析  43-46
    4.4.1 UKF滤波算法  43-44
    4.4.2 仿真结果与分析  44-46
  4.5 本章小结  46-47
第5章 间断观测弧段下的自主导航研究  47-59
  5.1 引言  47
  5.2 卡尔曼平滑  47-50
    5.2.1 固定区间平滑  47-49
    5.2.2 固定点平滑  49-50
  5.3 无卡尔曼平滑的自主导航性能分析  50-54
    5.3.1 观测弧度为中国大陆的自主导航分析  50-53
    5.3.2 观测弧段包含南北极的自主导航分析  53-54
  5.4 卡尔曼平滑的自主导航性能分析  54-58
    5.4.1 固定区间平滑的仿真结果  54-56
    5.4.2 固定点平滑的仿真结果  56-57
    5.4.3 仿真结果分析  57-58
  5.5 本章小结  58-59
结论  59-61
参考文献  61-65
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  65-67
致谢  67

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中图分类: > 航空、航天 > 航天(宇宙航行) > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制 > 姿态控制系统
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