【摘要】：平動點衛(wèi)星特殊的動力學(xué)性質(zhì)決定了它在深空探測中的重要意義,其中深空導(dǎo)航通信是平動點衛(wèi)星的重點應(yīng)用方向之一。平動點擬周期軌道的時空唯一性是僅利用星間測距實現(xiàn)自主定軌的理論依據(jù)。本文在五個平動點各選一顆擬周期軌道衛(wèi)星組成了平動點導(dǎo)航衛(wèi)星星座,推導(dǎo)了平動點衛(wèi)星星座在圓型限制性三體問題模型和橢圓型限制性三體問題模型下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和觀測矩陣,并以此為基礎(chǔ)建立了基于星間距離觀測的衛(wèi)星星座自主定軌模型。在自主定軌數(shù)值仿真實驗中采用了擴展卡爾曼濾波和無跡卡爾曼濾波算法,并比較了兩種算法在三體問題模型這一強非線性系統(tǒng)中的表現(xiàn)。仿真實驗結(jié)果表明平動點衛(wèi)星僅利用星間測距自主定軌能保持定軌誤差180天內(nèi)不發(fā)散,即使在加入初值誤差的情況下,x軸和y軸的誤差依然能夠收斂。平動點衛(wèi)星能夠僅利用星間測距信息進行自主定軌是因為平動點衛(wèi)星軌道包含了星座的絕對方位信息,因此理論上地球?qū)Ш叫l(wèi)星可以利用對平動點衛(wèi)星的距離觀測量來解決其無法絕對定位的問題。本文以地月系統(tǒng)為研究對象,在系統(tǒng)質(zhì)心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中描述了平動點衛(wèi)星的運動以及平動點衛(wèi)星和地球?qū)Ш叫l(wèi)星之間的距離觀測模型,而地球軌道衛(wèi)星的運動更適合在地球赤道慣性坐標(biāo)系中表述,因此給出了地心赤道慣性坐標(biāo)系和質(zhì)心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法,推導(dǎo)了平動點衛(wèi)星和地球?qū)Ш叫l(wèi)星之間的距離觀測量對地球?qū)Ш叫l(wèi)星軌道根數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),最后按照集中式數(shù)據(jù)處理方式擬定了平動點衛(wèi)星和地球?qū)Ш叫l(wèi)星聯(lián)合定軌方案。數(shù)值仿真實驗中采用12顆GPS衛(wèi)星和5顆平動點衛(wèi)星,仿真的首要目的是驗證聯(lián)合定軌方案的可行性。在聯(lián)合定軌方案可行的前提上設(shè)計了對照實驗來比較星間測向方案和聯(lián)合定軌方案的優(yōu)劣。平動點衛(wèi)星自主定軌研究結(jié)果表明,在平動點布置導(dǎo)航星座可以實現(xiàn)僅利用星間測距進行自主定軌,這對提高深空探測的安全性和自主性具有重要的意義。平動點衛(wèi)星與地球?qū)Ш叫l(wèi)星聯(lián)合自主定軌的仿真結(jié)果證實了平動點衛(wèi)星能夠抑制地球?qū)Ш叫l(wèi)星由于星座整體旋轉(zhuǎn)引起的誤差發(fā)散,聯(lián)合定軌方案可以作為地球?qū)Ш叫l(wèi)星自主定軌的備選方案,該方案對保證地球?qū)Ш叫l(wèi)星的導(dǎo)航精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性有一定的意義。
[Abstract]:The special dynamic property of the translational point satellite determines its significance in the deep space exploration, in which the deep space navigation communication is one of the important application directions of the translational point satellite. The spatio-temporal uniqueness of quasi-periodic orbits at translational points is the theoretical basis for autonomous orbit determination only by using intersatellite ranging. In this paper, the constellation of the translational point navigation satellite is composed of one quasi-periodic orbit satellite at each of the five translational points. The state transfer matrix and observation matrix of the translational point satellite constellation under the circular restricted three body problem model and the elliptic restricted three body problem model are derived. An autonomous orbit determination model of satellite constellation based on intersatellite distance observation is established. The extended Kalman filter and the unscented Kalman filter algorithm are used in the autonomous orbit determination numerical simulation experiment, and the performance of the two algorithms in the three-body problem model is compared. The simulation results show that the orbit determination error of the translational point satellite can be maintained within 180 days only by using the autonomous orbit determination of intersatellite ranging. Even if the initial error is added, the errors of x axis and y axis can still converge. The orbit of the translational point satellite can be determined independently only by using the ranging information between satellites because the orbit of the translational point satellite contains the absolute azimuth information of the constellation. Therefore, in theory, the Earth navigation satellite can use the distance observation of the translational point satellite to solve the problem of its absolute positioning. In this paper, the motion of the translational point satellite and the distance observation model between the translational point satellite and the Earth navigation satellite are described in the rotation coordinate system of the centroid of the earth moon system. The motion of the Earth orbit satellite is more suitable to be expressed in the Earth's equatorial inertial coordinate system, so the transformation method of the geocentric equatorial inertial coordinate system and the mass center rotation coordinate system is given. The partial derivative of the distance observation between the translational point satellite and the Earth navigation satellite to the orbital root number of the Earth navigation satellite is derived. Finally, the joint orbit determination scheme of the translational point satellite and the Earth navigation satellite is formulated according to the centralized data processing method. In the numerical simulation experiment, 12 GPS satellites and 5 translational point satellites are used. The primary purpose of the simulation is to verify the feasibility of the combined orbit determination scheme. Based on the feasibility of the joint orbit determination scheme, a comparative experiment was designed to compare the advantages and disadvantages of the intersatellite direction finding scheme and the joint orbit determination scheme. The results of the autonomous orbit determination of the stratospheric satellite show that the navigation constellation can only be determined by intersatellite ranging, which is of great significance to improve the safety and autonomy of deep space exploration. The simulation results of the simultaneous autonomous orbit determination of the translational point satellite and the Earth navigation satellite confirm that the translational point satellite can restrain the divergence of errors caused by the global rotation of the constellation of the earth navigation satellite. The joint orbit determination scheme can be used as an alternative for autonomous orbit determination of the Earth navigation satellite. This scheme has a certain significance to ensure the navigation accuracy and system stability of the Earth navigation satellite.
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2;V412.41

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本文編號：2293168