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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
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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。
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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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