卡尔曼滤波方法在火星着陆自主导航中的应用

摘要

随着人类航天技术的发展，人们对宇宙空间和太阳系中其它星球的探索活动逐渐增多，尤其是对太阳系中的其他星球的探索日益引起人们的关注，在这些行星中，火星可以说是太阳系中和地球最相似的行星了，所以一直以来，人类对的火星的探测计划在整个对太阳系的探测计划中都是非常重要的一部分。因此在像火星这类具有丰富地貌的复杂区域进行精确着陆成为当前科学研究的一个迫切需要。这篇文章将对探测器对火星进行探测的登陆过程中的大气进入段以及动力下降段提出了一些可行的自主导航方案并对其进行了一些仿真模拟。首先，根据探测器在大气进入段和动力下降段的不同特点，对各阶段的动力学模型进行合理的简化给出适用于导航方案分析与设计的动力学模型及状态方程；根据大气进入段的特点，通过对现有技术条件的分析，建立在惯性导航系统的测量数据和卫星导航系统的测量数据共同作为外部观测量的导航方案，根据动力下降段的特点，根据敏感器的测量原理建立观测方程，设计导航滤波器及方案；针对大气进入段建立三种导航方案，应用UKF卡尔曼滤波设计滤波器，并且对该导航方案模型进行数学仿真，对比验证三种导航方案能否满足精度要求。根据其动力下降段的特点，应用EKF卡尔曼滤波设计滤波器，验证该导航方案能否达到动力下降段火星探测器的精度要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1卡尔曼滤波的发展现状

1.3.2火星探测计划的大气进入段导航的发展现状

1.2.3 火星探测计划的动力下降段导航的发展现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 火星探测器动力学模型的建立

2.1 引言

2.2 坐标系的定义与转换

2.2.1 大气进入段常用坐标系的定义

2.2.2 火星探测器大气进入段常用坐标系间的变换关系

2.2.3 火星探测器动力下降段常用坐标系的定义

2.3 火星探测器大气进入段的动力学模型

2.3.1 火星环境模型及其简化

2.3.2 火星探测器的动力学模型的推导

2.3.3 火星探测器的导航滤波器的选择

2.4 火星探测器动力下降段的动力学模型

2.4.1 火星探测器动力下降段的平动动力学模型

2.4.2 火星探测器动力下降段的姿态动力学模型

2.4.3 火星探测器动力下降段的滤波器设计

2.5 本章小结

第3章探测器导航方案设计

3.1 引言

3.2 大气进入段导航方案设计

3.2.1 系统的状态方程

3.2.2导航方案选择

3.2.3滤波最优方法的选择

3.2.4各导航方案的观测方程

3.3动力下降段导航方案设计

3.3.1 滤波器观测量的确定

3.3.2 通过激光测距仪确定目标点所在着陆平面法向量

3.3.3图像导航系统确定目标点相对于火星探测器位置

3.3.4 姿态滤波器的设计

3.3.5位置滤波器的设计

3.4 本章小结

第4章 探测器导航仿真结果及分析

4.1 引言

4.2大气进入段仿真结果及分析

4.2.1 仿真方案建立

4.2.2 仿真方案参数

4.2.3 数学仿真结果

4.3动力下降段仿真结果及分析

4.3.1 仿真方案建立

4.3.2 仿真初始条件与参数

4.3.3数学仿真结果

4.4本章小结

结论

参考文献

声明

致谢