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卫星编队星间相对测量技术研究

作　者: 陶久亮
导　师: 段登平
学　校: 上海交通大学
专　业: 导航制导与控制
关键词: 编队卫星 GPS相对导航鲁棒卡尔曼滤波 GPS/RADIO组合导航
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

卫星编队是近年来航天领域兴起的研究方向之一,在卫星编队技术中,许多关键技术的解决都依赖编队卫星间的相对导航,即相对位置和相对速度的状态估计和滤波估计,因此,提高相对导航精度,对于卫星编队任务的顺利完成起着至关重要的作用。本文在前人的基础上,对编队卫星相对导航技术进行进一步研究:首先,对编队卫星的相对动力学进行描述。定义参考坐标系,推导出编队卫星相对动力学模型描述,之后在精确地非线性动力学模型的基础上,推导出其简化的线性化方程,包括Lawden方程和Hill方程两种模型,并分别给出其解析解以及周期性条件,并通过仿真对比了两种模型的精度,为相对导航滤波提供了合适的系统状态方程模型。其次,对GPS导航系统进行描述并半物理仿真实验。对GPS系统做了总体介绍,并详细介绍了GPS伪距测量定位方法、载波相位差分GPS定位方法和根据GPS星历信息进行GPS卫星在轨位置计算,并给出了编队卫星GPS相对导航的方法和解算流程,为相对导航滤波提供了合适的系统输出方程模型。接下来使用OEMV硬件系统实现GPS导航的半物理仿真,对于仿真环境、OEMV硬件系统以及串口通信都做了详细的描述。再次,对基于最优鲁棒卡尔曼滤波算法(RKF)的编队卫星相对导航滤波进行了研究。为提高编队卫星相对导航精度和计算稳定性,采用鲁棒卡尔曼滤波进行相对位置和相对速度的估计。将Lawden方程进行适应性改造后作为系统的状态方程,进行RKF滤波,并与EKF滤波结果进行比较。仿真结果表明RKF能够有效地提高相对导航精度和鲁棒性,具有一定的理论意义和工程应用价值。最后,根据超近距离卫星编队飞行场景,基于联邦卡尔曼滤波融合算法设计了GPS/RADIO组合导航系统。首先给出了GPS/RADIO组合导航系统的总体结构,并对组合导航的系统模型进行描述,之后给出了适用于GPS/RADIO组合导航系统的联邦卡尔曼滤波融合算法,并进行仿真实验。通过仿真试验得出组合导航系统的滤波估计精度比单一分系统要高出30%左右,并且能够提高系统的容错率,有一定的理论意义和工程应用价值。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章绪论  14-24
  1.1 课题研究目的和意义  14-15
  1.2 国内外发展现状  15-21
    1.2.1 卫星编队任务  15-18
    1.2.2 星间相对测量技术  18-20
    1.2.3 滤波算法研究  20-21
  1.3 论文的主要内容与章节安排  21-24
第二章编队卫星相对动力学  24-34
  2.1 参考坐标系定义  24
  2.2 编队卫星相对动力学模型  24-27
  2.3 线性化编队卫星相对动力学方程  27-30
    2.3.1 Lawden 方程  27-29
    2.3.2 Hill 方程  29-30
  2.4 仿真算例  30-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章 GPS 卫星相对导航  34-59
  3.1 引言  34-35
  3.2 GPS 伪距测量定位  35-39
    3.2.1 GPS 伪距测量  35-36
    3.2.2 伪距单点定位  36-39
  3.3 GPS 载波相位测量定位  39-43
    3.3.1 GPS 载波相位测量  39-41
    3.3.2 载波相位差分GPS 测量（CDGPS）  41-43
  3.4 GPS 卫星在轨位置计算  43-47
  3.5 编队卫星GPS 相对导航  47-49
  3.6 使用硬件系统实现GPS 导航  49-58
    3.6.1 OEMV 简介  50-51
    3.6.2 OEMV 配套软件  51-52
    3.6.3 RS232 串口通信  52-55
    3.6.4 OEMV 常用串口指令  55-56
    3.6.5 使用OEMV 实现GPS 导航  56-58
  3.7 本章小结  58-59
第四章相对导航滤波算法研究  59-79
  4.1 卡尔曼滤波  59-65
    4.1.1 线性离散随机系统的卡尔曼滤波  59-62
    4.1.2 推广的卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter, EKF）  62-65
  4.2 鲁棒卡尔曼滤波  65-69
    4.2.1 问题描述  65-66
    4.2.2 鲁棒卡尔曼滤波器设计  66-69
  4.3 适用于RKF 的相对导航系统模型  69-73
    4.3.1 系统状态方程  69-71
    4.3.2 系统输出方程  71-73
  4.4 仿真算例  73-78
    4.4.1 仿真参数  73-75
    4.4.2 仿真结果与分析  75-78
  4.5 本章小结  78-79
第五章 GPS/RADIO 组合导航  79-97
  5.1 引言  79-80
  5.2 GPS/RADIO 组合导航系统总体结构  80-81
  5.3 GPS/RADIO 组合导航系统模型  81-85
    5.3.1 系统状态方程  81-82
    5.3.2 GPS 测量方程  82
    5.3.3 RADIO 测量方程  82-85
  5.4 状态估计算法  85-91
    5.4.1 联邦滤波算法  85-88
    5.4.2 联邦卡尔曼滤波器控制结构  88-89
    5.4.3 联邦卡尔曼滤波器信息分配  89-91
    5.4.4 适用于GPS/RADIO 组合导航的联邦滤波算法  91
  5.5 仿真算例  91-96
    5.5.1 仿真参数  91-92
    5.5.2 仿真结果与分析  92-96
  5.6 本章小结  96-97
第六章总结  97-99
参考文献  99-104
致谢  104-105
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  105-107
附件  107

卫星编队星间相对测量技术研究

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