火星进入段自主导航方案设计与优化方法研究

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1、火星进入段自主导航方案设计与优化方法研究于正湜2015年11月中图分类号：V448.2UDC分类号：629.7火星进入段自主导航方案设计与优化方法研究作者姓名于正湜学院名称宇航学院指导教师崔平远教授答辩委员会主席杨树兴教授申请学位工学博士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年11月5日ResearchonDesignandOptimizationMethodofAutonomousNavigationSchemeforMarsEntryPhaseCandidateName：ZhengshiYuSchool

2、orDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.PingyuanCuiChair,ThesisCommittee:Prof.ShuxingYangDegreeApplied:DoctorofPhilosophyinEngineeringMajor:AerospaceScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:Nov.5th,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交

3、的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要在火星着陆探测任务过程中，火星大气进入段是最危险也是最复杂的阶段。火星大气进入段的自主导航技术是决定任务成败的关键技术之一。火星大气进入段动力学环境的特殊性给精确自主导航带来了巨大

4、障碍，其中导航信息的欠观测性和系统的非线性及不确定性是面临的两个主要挑战。针对上述挑战，为了提高火星大气进入段的自主导航性能，本文对火星进入段自主导航方案设计与优化方法开展了深入研究，主要研究内容包括：首先研究了初始进入状态、大气密度、重力加速度及气动力系数扰动对探测器状态误差特性的影响，同时分析了无线电测距导航方案的状态估计误差下限。研究结果表明火星大气密度是最主要的扰动因素，通过引入无线电测距信息可以有效提高自主导航性能，同时动力学系统非线性是影响状态估计精度的重要因素。针对火星进入段导航方案优化问题，首次提出了将可观测度概念引入导航

5、信标布局构型优化的思想，实现了特定大气进入轨迹下有限导航信息的最优化，提高进入段导航精度。以本思想为基础提出了基于可观测度的导航信标布局构型优化方法，该方法以导航系统可观测度为性能指标，考虑探测器与信标之间的可见性约束，通过遗传算法求解优化问题。在此基础上提出基于二次型逼近及Fisher信息矩阵的可观测度分析方法，给出了可观测度与导航信标布局构型的理论关系，并分析了不同数量信标的理论最优布局构型。针对火星进入段轨迹优化问题，提出了基于可观测度的进入轨迹优化方法，将系统可观测度作为性能指标，结合多种约束求解轨迹优化问题，在导航信标布局构型无

6、法达到最优的情况下通过优化探测器的进入轨迹获得相对最优的导航信息获取条件，从而提高导航估计性能。在此基础上针对大气密度扰动及初始状态误差的影响，采用混沌多项式法描述状态及约束函数的误差传播特性，提出了火星大气进入段的鲁棒轨迹优化方法，解决了传统轨迹优化方法可能出现的约束违背问题。但由于控制能力的限制，可观测度提高效果没有导航信标布局构型优化明显。在上述研究的基础上，开展探测器状态估计方法研究，以进一步提高火星进入段自主导航性能。首次提出了一种基于姿态及角速度的加速度计校准方法，通过探测器不同位置处加速度与角速度和角加速度的关系，推导加速度

7、计输出模型，结合姿态及I北京理工大学博士学位论文角速度测量信息设计最优估计算法，可以在火星最终接近段位置测量信息匮乏的情况下进行加速度计的精确校准。同时给出了平方根非线性滤波方法，考虑动力学非线性及扰动特性，结合混沌多项式法推导平方根滤波方程，提高状态估计性能。最后针对导航方案的可行性提出了基于惯性测量单元、基于无线电测量以及基于火星导航网络的火星大气进入段递进式的自主导航方案设想。同时利用MATLABGUI编程工具开发了火星大气进入段自主导航仿真系统，对基于无线电测量的自主导航方案及所提出的导航方案优化方法进行仿真分析。关键词：进入段；

8、自主导航；可观测度；布局构型；轨迹优化II北京理工大学博士学位论文AbstractTheMarsentryphaseisthemostdangerousandcomplicatedperiod