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深空探测中的X射线脉冲星导航方法研究

作 者: 王奕迪
导 师: 郑伟
学 校: 国防科学技术大学
专 业: 航空宇航科学与技术
关键词: X射线脉冲星 自主导航 深空探测 单探测器
分类号: V448.224
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


深空探测是21世纪航天活动的热点。自主导航技术作为深空探测的关键技术之一,直接影响深空探测任务能否成功实施,同时能够降低航天器对地面支持系统的依赖,增强深空探测航天器的应用潜力。本文从X射线脉冲星导航的基本原理出发,结合深空探测航天器对自主导航的要求,深入研究了深空探测中的X射线脉冲星导航方法。论文的主要研究内容包括:(1)研究了X射线脉冲星导航的基本原理和算法。研究了X射线脉冲星导航所需的时空基准;基于X射线脉冲星导航的观测量获取方法,结合深空探测在不同阶段的动力学模型,建立了基于X射线脉冲星的深空探测导航系统;给出了X射线脉冲星守时模型。(2)提出基于单探测器的X射线脉冲星导航算法。从航天器的轨道特性出发,结合脉冲星观测方程的特点,建立了基于单探测器的X射线脉冲星导航定位观测模型、基于单探测器的同步定位/守时观测模型;对两个新建立的导航系统进行可观性和可观度分析,探求影响导航精度的因素;采用仿真方法验证了导航算法的性能。(3)研究了基于X射线脉冲星的平动点编队导航方法。建立了限制性三体问题下的绝对导航和相对导航动力学模型;研究了利用X射线脉冲星进行相对导航的基本测量原理;给出了利用传统的导航算法和单探测器算法的绝对导航结果,并分析了影响导航精度的因素;给出了相对导航的仿真结果,验证了相对导航算法的可行性。(4)搭建了X射线脉冲星导航全数字仿真平台。以X射线脉冲星导航的物理背景为依据,将X射线脉冲星导航系统进行模块化划分,确定每个节点所需实现的功能;然后,对每个节点继续进行模块化划分,分块实现各子模块的功能,从而保证整个仿真平台的功能实现;最后,利用特定轨道的导航任务来验证仿真平台的有效性,设计的正确性。本文的研究为X射线脉冲星导航与深空探测结合奠定了一定的理论基础,X射线脉冲星导航工程应用提供了技术支撑。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章 绪论  11-22
  1.1 深空探测对航天器自主导航的需求  11-12
  1.2 深空探测自主导航研究现状  12-15
  1.3 X 射线脉冲星导航研究现状  15-20
    1.3.1 国外研究现状  15-17
    1.3.2 国内研究现状  17-20
  1.4 本文主要研究内容  20-22
第二章 X 射线脉冲星导航基本原理  22-38
  2.1 脉冲星基本特征  22-24
  2.2 X 射线脉冲星导航的时空基准  24-29
    2.2.1 坐标系统  24
    2.2.2 时间系统  24-26
    2.2.3 脉冲星时间相位模型  26
    2.2.4 脉冲星时间转换模型  26-29
  2.3 X 射线脉冲星自主导航算法  29-37
    2.3.1 X 射线脉冲星导航定位系统的动力学模型  29-32
    2.3.2 X 射线脉冲星导航定位系统的观测方程  32-33
    2.3.3 X 射线脉冲星导航守时模型  33-34
    2.3.4 X 射线脉冲星导航滤波算法  34-37
  2.4 小结  37-38
第三章 基于单探测器的X 射线脉冲星导航算法  38-66
  3.1 导航系统动力学模型  38-40
    3.1.1 导航定位动力学模型  38-39
    3.1.2 同步定位/守时动力学模型  39-40
  3.2 基于单探测器的X 射线脉冲星导航观测模型  40-41
    3.2.1 基于单探测器的X 射线脉冲星定位观测模型  40-41
    3.2.2 基于单探测器的X 射线脉冲星同步定位/守时观测模型  41
  3.3 基于单探测器的X 射线脉冲星导航系统可观性分析  41-48
    3.3.1 基于线性化的可观性分析方法  42-43
    3.3.2 基于单探测器的X 射线脉冲星导航系统可观性证明  43-48
  3.4 基于单探测器的X 射线脉冲星导航系统可观度分析  48-59
    3.4.1 条件数与线性系统可观度  48-50
    3.4.2 基于单探测器的X 射线脉冲星导航系统可观度研究  50-59
  3.5 仿真分析与结果讨论  59-65
    3.5.1 基于单探测器的X 射线脉冲星导航定位系统仿真  59
    3.5.2 基于单探测器的X 射线脉冲星同步定位/守时系统仿真  59-61
    3.5.3 分时段观测的脉冲星个数对导航结果的影响  61-62
    3.5.4 脉冲星与航天器的几何构型对导航结果的影响  62-63
    3.5.5 脉冲星星表位置误差和观测时间对导航结果的影响  63-65
  3.6 小结  65-66
第四章 基于X 射线脉冲星的平动点编队导航方法  66-80
  4.1 平动点轨道动力学模型  66-70
    4.1.1 限制性三体动力学模型  66-68
    4.1.2 限制性三体动力学环境中的相对运动动力学模型  68-70
  4.2 基于X 射线脉冲星的相对导航原理  70-71
  4.3 仿真分析与结果讨论  71-78
    4.3.1 绝对导航算法的仿真  71-78
    4.3.2 相对导航算法的仿真  78
  4.4 小结  78-80
第五章 X 射线脉冲星导航全数字仿真平台设计  80-98
  5.1 仿真平台总体设计  80-83
    5.1.1 仿真平台物理构成  80-81
    5.1.2 各节点数据流程设计  81-82
    5.1.3 仿真平台模块划分  82-83
  5.2 仿真节点设计  83-96
    5.2.1 仿真模块接口设计  83-85
    5.2.2 仿真节点模块化设计  85-96
  5.3 仿真平台性能验证  96-97
  5.4 小结  97-98
结束语  98-100
致谢  100-101
参考文献  101-107
作者在学期间取得的学术成果  107

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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 > 自主导航
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