本文選題：自主導(dǎo)航 + 通信黑障　； 參考：《北京理工大學(xué)》2016年碩士論文

【摘要】：未來(lái)的火星探測(cè)任務(wù)需要高精度的進(jìn)入段導(dǎo)航能力。迄今為止,成功登陸火星表面的探測(cè)器在大氣進(jìn)入段都采用慣性導(dǎo)航方式,探測(cè)器的著陸誤差在幾百千米以上。同時(shí),在“好奇號(hào)”進(jìn)入過(guò)程中,經(jīng)歷了大約70秒的通信黑障時(shí)間。針對(duì)進(jìn)入段可能出現(xiàn)的通信黑障現(xiàn)象,本文對(duì)進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容包括:首先利用牛頓力學(xué)定律,通過(guò)合理假設(shè)和近似,推導(dǎo)了進(jìn)入段動(dòng)力學(xué)三自由度和六自由度模型,目的是通過(guò)數(shù)值仿真軟件計(jì)算出探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)飛行軌跡,為導(dǎo)航系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。其次,通過(guò)熱力學(xué)工具分析火星進(jìn)入段大氣的成分、溫度、壓強(qiáng)、密度以及其他參數(shù)信息,對(duì)駐點(diǎn)區(qū)和尾流區(qū)影響探測(cè)器通信的自由電子密度進(jìn)行估計(jì),采用Horton程序建立進(jìn)入段通信黑障時(shí)間估計(jì)方法。估計(jì)通信黑障時(shí)通過(guò)建立激波方程分析了激波前后氣體參數(shù)變化,并對(duì)“好奇號(hào)”的進(jìn)入段過(guò)程出現(xiàn)的通信黑障進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。然后,針對(duì)探測(cè)器通信黑障以及慣性導(dǎo)航精度差問(wèn)題,本文提出了基于三自由度動(dòng)力學(xué)模型的IMU和軌道器組合導(dǎo)航方法。其中在IMU觀測(cè)模型中,除了加速度觀測(cè)模型外還建立了姿態(tài)觀測(cè)模型。在軌道器觀測(cè)模型中,詳細(xì)建立了軌道器的運(yùn)動(dòng)方程,并對(duì)火星快車和火星勘測(cè)軌道器進(jìn)行了軌道仿真�？紤]在通信黑障情況下,本文對(duì)探測(cè)器的IMU和軌道器組合導(dǎo)航方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,分析了改進(jìn)觀測(cè)模型的有效性。最后,從通信信道的角度建立了火星進(jìn)入段通信模型。通信信道模型由無(wú)線空間信道模型、等離子體衰減模型以及信號(hào)間歇觀測(cè)模型三部分構(gòu)成。其中將無(wú)線空間信道模型建立為Rice衰落模型,等離子體信道模型分析和計(jì)算了等離子體頻率和碰撞頻率對(duì)電磁波功率影響的定量關(guān)系,間歇觀測(cè)模型建立了丟包率與信噪比的關(guān)系。最后提出了該通信模型下的UKF導(dǎo)航濾波算法,數(shù)值仿真驗(yàn)證了在該通信模型下IMU和無(wú)線電組合導(dǎo)航算法的有效性。
[Abstract]:The future Mars exploration mission requires high precision entry navigation capabilities. So far, the probes that have successfully landed on the Mars surface have used inertial navigation methods in the air entry section, and the landing error of the detector is more than a hundred kilometers. In the course of "curiosity", the time of communication blackout for about 70 seconds has been taken. The communication blackout phenomenon may appear in the entry section. This paper studies the autonomous navigation scheme of the entry section. The main contents include: first, using the Newtonian mechanics law, the three degree of freedom and six degree of freedom model of the entry segment dynamics are derived through reasonable assumptions and approximations. The aim is to calculate the detector standard through the numerical simulation software. The flight trajectory lays the foundation for the simulation of the navigation system. Secondly, the thermodynamic tools are used to analyze the composition, temperature, pressure, density and other parameters of the Mars into the atmosphere, and estimate the free electron density of the communication of the probe communication in the standing point and the wake region. The Horton program is used to estimate the time of the entry communication black barrier. To estimate the communication black barrier, the change of gas parameters before and after the shock wave is analyzed by the shock wave equation, and the communication black barrier appearing in the "curiosity" entry process is simulated. Then, in this paper, a IMU based on the three degree of freedom dynamic model is proposed to solve the problem of the communication black barrier and the poor precision of the inertial navigation system. In the IMU observation model, the attitude observation model is set up in addition to the acceleration observation model. In the orbiter observation model, the motion equations of the orbiter are set up in detail, and the orbit imitation of the Mars Express and the Mars Reconnaissance Orbiter is carried out. The IMU and the orbiter integrated navigation method has been simulated and verified, and the effectiveness of the improved observation model is analyzed. Finally, the communication model of the Mars entry section is established from the angle of communication channel. The communication channel model is composed of three parts: the wireless space channel model, the plasma attenuation model and the signal batch observation model. The linear space channel model is established as the Rice fading model. The plasma channel model analyses and calculates the quantitative relationship between the plasma frequency and the impact frequency on the electromagnetic wave power. The relationship between the packet loss rate and the signal to noise ratio is established by the intermittent observation model. Finally, the UKF navigation filtering algorithm under the communication model is proposed. The numerical simulation is verified by the numerical simulation. The effectiveness of IMU and radio integrated navigation algorithm under the communication model.

【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V476.4

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本文編號(hào)：1775087