深空探测器自主光学导航方案及非线性滤波算法研究

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1、深空探测器自主光学导航方案及非线性滤波算法研究摘要由于深空探测距离远导致地面导航有较大的通讯延迟，因此探测器自主导航技术成为深空探测领域备受重视的关键技术之一。自主光学导航是利用探测器捕获的光学信息来进行探测器自主导航任务的。探测器自主光学导航能减少操作的复杂性，降低任务的费用，简化地面支持系统；可以大大增强探测器的自主生存能力，扩展探测器的空间应用潜力：其中，自主导航滤波算法的设计与应用是自主光学导航的关键。本学位论文结合“十五”863计划项目—“深空探测器自主导航技术”，分析了目前探测器自主光学导航国内外发展状况，针对深空探测器自主光学导航不同阶段的导航特点，研究了各类非线性滤波算法及其

2、在自主光学导航中的应用。论文的主要工作包括：首先，介绍了深空探测自主光学导航原理、自主光学导航技术的意义与国内外发展状况，引入了大量相关的有价值的参考文献，研究了探测器自主光学导航所涉及的基本问题：针对不同阶段的探测任务，建立了相应的深空探测器轨道动力学模型。其次，研究了探测器自主光学导航方案和非线性滤波算法，并将其应用到小天体探测任务中。针对小天体探测过程中的不同飞行段，结合每个阶段的轨道动力学方程，提出了适用于各个飞行段不同的自主光学导航方案，分析了其中相关参数的选择并进行了性能分析。由于系统状态函数为非线性，给出了基于传统扩展卡尔曼滤波器(EKF)以及基于高阶EKF的自主光学导航算法，

3、并分析了其性能的优劣；针对星载计算机字长、处理速度和内存限制，提出了基于矩阵UD分解(上三角．对角矩阵分解)协方差矩阵的扩展卡尔曼滤波的自主光学导航方法即UD．EKF算法，对比EKF算法，分析了其在计算速度上的优势；针对轨道确定中的系统转换矩阵为强非线性从而导致EKF发散的问题，给出了利用Unscented变换的Unscented卡尔曼滤波(UKF)以及基于矩阵平方根(SquareRoot)分解的平方根UKF的自主轨道确定方法，解决了使用扩展卡尔曼滤波时求解雅可比矩阵的困难，得到了稳定的滤波效果；针对UKF算法计算量较大的问题，给出了一种基于简化signm点选取策略的自主光学导航滤波算法，分

4、析了其滤波精度和运算速度；通过仿真实验，验证了其有效性。最后，针对不同自主光学导航任务的特点，对各类滤波算法从滤波精度、计算时间复杂度、运行速度以及收敛性等方面进行了比较，分析了多种滤波算法的优缺点及适用范围。关键词自主光学导航高阶扩展卡尔曼滤波UD．EKFUnscented卡尔曼滤波平方根UKF简化sigma点UKF算法¨AUTONOMoUSOPTICALNAvIGATIONSCHEⅣ匝SANDNONLINEARFIIJERALGORITHMSSIMULATl0NOFSPACECRAFTABSTRACTBecausethecommunicationdelayintroducedbythef

5、urtherdistanceofdeepspaceforgroundnavigatingmethodsisverylarge，autonomousnavigationtechnologyofspacecrafthasbecomeakeyoneinthedeep-spaceexploringfields，Andautonomousopticalnavigationisthemosteffectivemethodinwhichallkindsofopticalinformationfromthesensorscanbeusedintheautonomousnavigationsystem．And

6、themethodsCallalsoreducethecomplexityofoperation，reducetaskcostsandreducethecomplexityofgroundsystems，whichCansignificantlyenhancetheindependentsurvivabilityandexpandfurtherpotentialityonspaceapplicationsofspacecraft；Whatismore．thedesignandapplicationoffilteralgorithmsisthekeyoneintheautonomousopti

7、calnavigationsystem．WithsupportsoftheNationalHi曲TechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program)’AutonomousNavigationTechnologyofDeepSpacecraft’，thisdissertationanalysesthedomesticandforeignsituat