基于双视线测量的相对导航方法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaJune252011VoI．32No．61084-1091ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnrII‘xb《孕buaa．edu．cn文章编号：1000一6893(2011)06—1084一08基于双视线测量的相对导航方法王楷，陈统*，徐世杰北京航空航天大学宇航学院，北京100191●摘要：对非合作目标自主交会中的中远程相对导航问题进行研究。首先，给H{二阶近似的航天器相对轨道动力学方程，并对视线(LOS)导航方法的可观测性进行了分析。然

2、后，提出基于双视线测缱的棚对导航方案。该导航方案中，系统过程噪声模型采用适用于航天器远距离相对运动的轨道动力学方程；量测量包括口标对两个追踪航天器的视线角和追踪航天器之间的基线方位与长度，并以此建立了量测方程。最后，采用扩展卡尔曼滤波(EKF)算法解算目标的相对位置和速度。通过数值仿真验证了该导航方案的有效性，并分析了各航天器间几何参数的变化特点。关键词：空间交会；相对导航；视线测量；非合作目标；扩展卡尔曼滤波中图分类号：V448．22+4文献标识码：A非合作目标自主交会技术是未来航天领域的一项关键技术，在失效航天器的在轨补给与维护、小行星的取样返回探测以及空间监视等

3、任务中作用尤为突出[1]。在这些任务中，交会目标通常处于失效状态，或目标(Target)不配备合作的导航测量标识，因此实现交会变得相对困难。针对非合作目标自主交会的特点，并且考虑到能够低成本、高效率地完成任务，重质量、大体积、高功耗的微波雷达很难用于非合作目标的相对导航[2]，而以光学敏感器为探测手段的视线(LOS)导航方法被认为是实现非合作目标相对导航的重要手段[3-4‘。视线测量设备具有质量轻、功耗低、隐蔽性强、作用距离远和技术成熟等诸多特点，并且是被动探测，因此该测量设备已应用于被动式寻的导弹制导[53和星际着陆器基于路标的相对导航[6]之中，在空间自主交会导航

4、领域的应用也正在兴起。但是，视线测量仅包含目标的角度信息，而缺乏距离信息，导致沿横向的距离估计误差积累明显。国内外多位学者的研究已经说明了基于视线测量的导航系统可观测性弱[7曲]。为了解决这个问题，有学者也提出了相应的解决办法，主要途径就是引入距离信息[7’1¨钊，提高系统的可观测性。Chari[7]通过对追踪航天器施加特定的轨道机动，积分追踪航天器控制加速度来获取距离信息，但该方法以推进剂的消耗为前提条件。Woffinden等[10]通过获取目标上多个测量标识的视线角来进行导航，但其前提条件是离目标距离近，且有合作的测量标识。刘涛等[1妇将距离信息以滤波初值的形式提

5、供，但这种方法要求提供精确的滤波初值和轨道动力学模型。Chen等[1胡提出了一种双视线测量相对导航方法，通过配置辅助航天器形成测量基线来引入距离信息，然而该方法只在惯性系下进行了探讨，不利于分析导航方案的可观测性以及设计后续的交会制导律和相对运动控制律。为此，本文利用轨道系下更普适的相对运收稿日期：2010_09．16；退修日期：2010-10-25；录用日期：2010-11·29；网络出版时间：2010．12．1317：57网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detai

6、／11．1929．V．20101213．1757．006．№IDOI：CNKl：1

7、1—1929／V．201们213．1757．006基金项目：国家自然科学基金(10802002)*通讯作者．Tel．：010-82339750E帅il：chet@bu舱．e山．∞礅用罄武

8、i楷，睬统。徐世杰．基f双视线弱t的相对导航方法￡如．航空学报。2011．32(6)：，084-1091．wangKal，chenT∞g。xushi{le．Amethodo{doub

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10、ineIof．sightmasu怕m∞treIattvenavigallon￡J]．ActaAer∞auticaetAs打onauti∞sinica．2011．32(6)：1084．1091．王楷等

11、：基于双视线测量的相对导航方法动方程分析了视线导航的可观测性，给出了轨道系下双视线测量的相对导航方案，并且分析了航天器间的几何参数信息，为后续研究交会制导律提供有利的相对运动信息。1相对轨道动力学方程定义当地水平／当地垂直(LVLH)系以航天器质心为坐标原点，z轴(径向)从航天器质心指向地心，z轴(横向)在轨道平面内垂直于z轴指向前，y轴(副法线方向)由右手定则确定。设目标在追踪航天器LVLH系下的相对运动状态为△x=[zvz主多毫]T(1)由于在非合作目标的中远程相对导航过程中，追踪航天器与目标距离较远，故采用C—W方程描述两者之间的相对运动状态会