着陆器在火星大气进入段的自主导航方法研究

摘要

随着空间技术的发展，火星探测成为深空探测领域的热点。在火星探测任务中，传统的进入段导航采用基于IMU的航迹递推的方法，导航精度低，无法满足未来火星探测任务对着陆精度的要求。本文以火星精确着陆为背景，对着陆器在大气进入段的导航方法进行研究。
　　本文首先研究了只利用IMU测量数据的导航方法。推导了用于生成参考轨迹的三自由度动力学模型；并对航迹递推导航方法的估计误差和误差协方差进行了分析；研究了将IMU测量作为外部观测量的导航方法，并进行了仿真实验与分析。其次，针对仅利用惯性单元的测量值作为观测量的导航算法状态量不完全可观的问题，研究了在IMU数据基础上增加星间测距信息作为外部测量数据的导航方案，对各种算法的可观性进行了仿真，并对其结果进行了分析。最后，针对导航系统中存在的众多的不确定性，并以火星大气模型的不确定性为例，设计门控网络多模型自适应估计的导航算法，并对各子滤波器的输出结果进行数据融合。通过仿真结果分析表明，该导航方法可以有效的降低火星大气不确定性对导航精度的影响。

目录

着陆器在火星大气进入段的自主导航方法研究

RESEARCH ON AUTONOMOUSNAVIGATION METHOD FOR MARSATMOSPHERIC ENTERING

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.1.1 课题的背景

1.1.2 课题研究的目的和意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.2.1 火星着陆任务概述

1.2.2 火星环境模型研究现状

1.2.3 卡尔曼滤波理论的研究现状

1.2.4 多模型自适应估计理论的研究现状

1.2.5 大气进入段导航方法研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2 章 仅利用IMU数据的导航方法

2.1 引言

2.2 三自由度标称轨迹

2.2.1 坐标系定义及转换

2.2.2 大气密度模型

2.2.3 火星引力场模型

2.2.4 气动力计算

2.2.5 三自由度平动动力学模型

2.2.6 三自由度参考轨迹仿真结果与分析

2.3 火星大气进入段航迹递推算法

2.3.1 数学模型

2.3.2 基于连续 IMU 测量的航迹递推导航算法

2.3.3 仿真结果与分析

2.4 利用 EKF处理 IMU加速度计观测量的导航算法

2.4.1 观测模型

2.4.2 导航滤波器设计

2.4.3 可观性分析

2.4.4 仿真结果与分析

2.5 本章小结

第 3 章 利用 IMU和无线电测距观测量的导航方法

3.1 引言

3.2 基于 IMU和单个无线电测距的导航方法

3.2.1 基于 IMU 和单个无线电测距的观测模型

3.2.2 可观性分析

3.2.3 仿真结果与分析

3.3 基于 IMU和两个无线电测距的导航方法

3.3.1 基于 IMU 和两个无线电测距的观测模型

3.3.2 可观性分析

3.3.3 仿真结果与分析

3.4 基于 IMU和三个无线电测距的导航方法

3.4.1 基于 IMU 和三个无线电测距的观测模型

3.4.2 可观性分析

3.4.3 仿真结果与分析

3.5 本章小结

第 4 章 基于门控网络多模型自适应估计的导航方法

4.1 引言

4.2 门控网络多模型自适应估计算法

4.2.1 门控网络多模型自适应估计结构

4.2.2 门控网络

4.2.3 权值更新算法

4.3 门控网络多模型自适应的导航算法设计

4.3.1 大气密度模型

4.3.2 滤波器设计

4.4 仿真结果与分析

4.5 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

附录 1 完整的平动动力学模型推导