本文關(guān)鍵詞：火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計與優(yōu)化方法研究

  更多相關(guān)文章： 進(jìn)入段 自主導(dǎo)航 可觀測度 布局構(gòu)型 軌跡優(yōu)化

【摘要】：在火星著陸探測任務(wù)過程中,火星大氣進(jìn)入段是最危險也是最復(fù)雜的階段�；鹦谴髿膺M(jìn)入段的自主導(dǎo)航技術(shù)是決定任務(wù)成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一�；鹦谴髿膺M(jìn)入段動力學(xué)環(huán)境的特殊性給精確自主導(dǎo)航帶來了巨大障礙,其中導(dǎo)航信息的欠觀測性和系統(tǒng)的非線性及不確定性是面臨的兩個主要挑戰(zhàn)。針對上述挑戰(zhàn),為了提高火星大氣進(jìn)入段的自主導(dǎo)航性能,本文對火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計與優(yōu)化方法開展了深入研究,主要研究內(nèi)容包括:首先研究了初始進(jìn)入狀態(tài)、大氣密度、重力加速度及氣動力系數(shù)擾動對探測器狀態(tài)誤差特性的影響,同時分析了無線電測距導(dǎo)航方案的狀態(tài)估計誤差下限。研究結(jié)果表明火星大氣密度是最主要的擾動因素,通過引入無線電測距信息可以有效提高自主導(dǎo)航性能,同時動力學(xué)系統(tǒng)非線性是影響狀態(tài)估計精度的重要因素。針對火星進(jìn)入段導(dǎo)航方案優(yōu)化問題,首次提出了將可觀測度概念引入導(dǎo)航信標(biāo)布局構(gòu)型優(yōu)化的思想,實現(xiàn)了特定大氣進(jìn)入軌跡下有限導(dǎo)航信息的最優(yōu)化,提高進(jìn)入段導(dǎo)航精度。以本思想為基礎(chǔ)提出了基于可觀測度的導(dǎo)航信標(biāo)布局構(gòu)型優(yōu)化方法,該方法以導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測度為性能指標(biāo),考慮探測器與信標(biāo)之間的可見性約束,通過遺傳算法求解優(yōu)化問題。在此基礎(chǔ)上提出基于二次型逼近及Fisher信息矩陣的可觀測度分析方法,給出了可觀測度與導(dǎo)航信標(biāo)布局構(gòu)型的理論關(guān)系,并分析了不同數(shù)量信標(biāo)的理論最優(yōu)布局構(gòu)型。針對火星進(jìn)入段軌跡優(yōu)化問題,提出了基于可觀測度的進(jìn)入軌跡優(yōu)化方法,將系統(tǒng)可觀測度作為性能指標(biāo),結(jié)合多種約束求解軌跡優(yōu)化問題,在導(dǎo)航信標(biāo)布局構(gòu)型無法達(dá)到最優(yōu)的情況下通過優(yōu)化探測器的進(jìn)入軌跡獲得相對最優(yōu)的導(dǎo)航信息獲取條件,從而提高導(dǎo)航估計性能。在此基礎(chǔ)上針對大氣密度擾動及初始狀態(tài)誤差的影響,采用混沌多項式法描述狀態(tài)及約束函數(shù)的誤差傳播特性,提出了火星大氣進(jìn)入段的魯棒軌跡優(yōu)化方法,解決了傳統(tǒng)軌跡優(yōu)化方法可能出現(xiàn)的約束違背問題。但由于控制能力的限制,可觀測度提高效果沒有導(dǎo)航信標(biāo)布局構(gòu)型優(yōu)化明顯。在上述研究的基礎(chǔ)上,開展探測器狀態(tài)估計方法研究,以進(jìn)一步提高火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航性能。首次提出了一種基于姿態(tài)及角速度的加速度計校準(zhǔn)方法,通過探測器不同位置處加速度與角速度和角加速度的關(guān)系,推導(dǎo)加速度計輸出模型,結(jié)合姿態(tài)及角速度測量信息設(shè)計最優(yōu)估計算法,可以在火星最終接近段位置測量信息匱乏的情況下進(jìn)行加速度計的精確校準(zhǔn)。同時給出了平方根非線性濾波方法,考慮動力學(xué)非線性及擾動特性,結(jié)合混沌多項式法推導(dǎo)平方根濾波方程,提高狀態(tài)估計性能。最后針對導(dǎo)航方案的可行性提出了基于慣性測量單元、基于無線電測量以及基于火星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的火星大氣進(jìn)入段遞進(jìn)式的自主導(dǎo)航方案設(shè)想。同時利用MATLAB GUI編程工具開發(fā)了火星大氣進(jìn)入段自主導(dǎo)航仿真系統(tǒng),對基于無線電測量的自主導(dǎo)航方案及所提出的導(dǎo)航方案優(yōu)化方法進(jìn)行仿真分析。
【關(guān)鍵詞】：進(jìn)入段 自主導(dǎo)航 可觀測度 布局構(gòu)型 軌跡優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-31
• 1.1 火星著陸探測的目的及意義12-13
• 1.2 火星大氣進(jìn)入段自主導(dǎo)航問題分析13-17
• 1.2.1 火星著陸過程分析13-15
• 1.2.2 火星大氣進(jìn)入段自主導(dǎo)航面臨的挑戰(zhàn)15-17
• 1.3 火星大氣進(jìn)入段自主導(dǎo)航理論方法研究現(xiàn)狀17-28
• 1.3.1 系統(tǒng)擾動特性分析18-20
• 1.3.2 自主導(dǎo)航觀測方案20-22
• 1.3.3 可觀測度分析方法22-24
• 1.3.4 多約束進(jìn)入軌跡優(yōu)化24-27
• 1.3.5 非線性估計方法27-28
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容28-31
• 第2章 火星進(jìn)入段動力學(xué)擾動特性與導(dǎo)航性能分析31-58
• 2.1 引言31
• 2.2 動力學(xué)模型與簡化31-36
• 2.3 動力學(xué)擾動特性分析36-45
• 2.3.1 隨機過程的描述36-38
• 2.3.2 隨機動力學(xué)方程的求解38-41
• 2.3.3 火星進(jìn)入段動力學(xué)擾動特性分析41-45
• 2.4 自主導(dǎo)航觀測方案45-47
• 2.4.1 火星最終接近段導(dǎo)航觀測方案45-46
• 2.4.2 火星大氣進(jìn)入段導(dǎo)航觀測方案46-47
• 2.5 火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航性能分析47-56
• 2.5.1 基于粒子的狀態(tài)誤差下限估計方法48-52
• 2.5.2 精度與穩(wěn)定性分析52-54
• 2.5.3 火星進(jìn)入段狀態(tài)估計誤差下限分析54-56
• 2.6 本章小結(jié)56-58
• 第3章 導(dǎo)航信標(biāo)布局構(gòu)型優(yōu)化方法研究58-82
• 3.1 引言58
• 3.2 導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測度分析方法58-63
• 3.2.1 基于線性化系統(tǒng)的可觀測度分析方法59-60
• 3.2.2 基于微分幾何的可觀測度分析方法60
• 3.2.3 基于二次型逼近的可觀測度分析方法60-62
• 3.2.4 基于Fisher信息矩陣的可觀測度分析方法62-63
• 3.3 火星進(jìn)入段自主導(dǎo)航可觀測度分析63-71
• 3.3.1 基于無線電測距的導(dǎo)航方案可觀測度分析63-68
• 3.3.2 基于無線電測速的導(dǎo)航方案可觀測度分析68-71
• 3.4 基于可觀測度的導(dǎo)航信標(biāo)布局構(gòu)型優(yōu)化方法71-81
• 3.4.1 火星表面導(dǎo)航信標(biāo)布局構(gòu)型優(yōu)化71-76
• 3.4.2 火星導(dǎo)航軌道器軌道優(yōu)化76-81
• 3.5 本章小結(jié)81-82
• 第4章 大氣進(jìn)入軌跡優(yōu)化方法研究82-98
• 4.1 引言82
• 4.2 多約束條件下的軌跡優(yōu)化方法82-90
• 4.2.1 Gauss偽譜法82-85
• 4.2.2 基于可觀測度的火星進(jìn)入段軌跡優(yōu)化85-90
• 4.3 魯棒軌跡優(yōu)化方法90-97
• 4.3.1 隨機系統(tǒng)軌跡優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化90-91
• 4.3.2 不確定度傳播的描述91-94
• 4.3.3 基于混沌多項式的火星進(jìn)入段魯棒軌跡優(yōu)化94-97
• 4.4 本章小結(jié)97-98
• 第5章 探測器狀態(tài)估計方法研究98-120
• 5.1 引言98
• 5.2 基于姿態(tài)及角速度信息的加速度計校準(zhǔn)方法98-111
• 5.2.1 加速度計校準(zhǔn)系統(tǒng)模型98-102
• 5.2.2 濾波器設(shè)計102-106
• 5.2.3 可觀測度分析106-108
• 5.2.4 加速度計漂移的重解算過程108-109
• 5.2.5 火星最終接近段加速度計校準(zhǔn)109-111
• 5.3 基于混沌多項式的非線性估計方法111-119
• 5.3.1 誤差傳播計算111-112
• 5.3.2 平方根濾波器設(shè)計112-114
• 5.3.3 狀態(tài)估計性能分析114-119
• 5.4 本章小結(jié)119-120
• 第6章 火星大氣進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計與仿真120-133
• 6.1 引言120
• 6.2 火星大氣進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案設(shè)計120-123
• 6.3 火星大氣進(jìn)入段自主導(dǎo)航方案分析123-132
• 6.3.1 火星大氣進(jìn)入段自主導(dǎo)航仿真系統(tǒng)123-127
• 6.3.2 火星大氣進(jìn)入段自主導(dǎo)航仿真分析127-132
• 6.4 本章小結(jié)132-133
• 結(jié)論133-135
• 參考文獻(xiàn)135-147
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單147-150
• 致謝150-152
• 作者簡介152

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