基于可观测性分析的单测角相对导航与闭环制导技术

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252015VoI．36No．72411．2419ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．caDOI：10．7527／S1000—6893．2014．0301基于可观测性分析的单测角相对导航与闭环制导技术龚柏春，罗建军*，袁建平，马卫华西北工业大学航天学院航天飞行动力学技术重点实验室，西安710072摘要：针对仅有相对角度信息的空间交会问题，进行了基于可观测性分析的单测角相对导航与闭环制导技术研究。首先，建

2、立了系统滤波模型，并从新视角对滤波系统进行了可观测性分析，得到了系统可观测的充分条件。然后，结合多脉冲滑移安全制导策略分析了单测角相对导航与制导的耦合关系，得到了耦合关系的数学表达，并利用耦合关系设计了相对导航与闭环制导方案。最后，通过MonteCarlo打靶仿真验证了该方案的有效性，并分析了不同传感器误差与初始状态误差水平下的导航与制导精度。关键词：可观性分析；MonteCarlo方法；单测角；导航；制导；自主交会中图分类号：V448文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)07—2411一09近年来，由于故障卫星修复、失效卫星离轨以及轨道碎片清理等应用需

3、求El益突出，对空间非合作目标进行监视、接近以及捕获等在轨自主服务技术的研究成为热点n_3]。相对导航技术则是实现在轨自主服务的关键使能技术之一。通常服务星需要诸如微波雷达、激光雷达等星载敏感器来自主测量相对运动信息，但是由于体积、质量和燃耗等因素[4]，此类主动式有源传感器不能适应未来服务星微小型化发展趋势。相反的，光学相机这类被动式无源传感器在这些方面却体现出了相当的潜在优势。但是，大多数情况下光学相机仅能测量出相对视线角信息，而没有相对距离信息，即测量信息具有不完备性，这种情况下相对导航滤波系统不完全可观测，即产生了单测角导航的实现问题[5]。国内外众多学者对该问

4、题进行了研究。Chari【51研究了理想情况下单测角导航在近程操作过程中的导航性能，分析了相对状态信息的可观测性。Woffinden和Geller[6。80通过六自由度仿真证明了实际情况下单测角导航在自主交会对接中的实用性，分析了单测角导航系统可观测的条件，并提出了利用轨道机动提高系统可观测度的思想。Li等凹1在Geller等的基础上研究了提高单测角导航系统可观测度的轨道机动策略问题。Grzymisch等[10‘¨1从新角度分析了单测角导航的可观性问题，并给出了典型的不可观测轨道机动方式。Gaias等[12]从相对轨道要素的角度研究了轨道机动单测角导航问题。总的来说，这

5、些研究主要集中在如何提高系统可观测性和机动轨道的优化上面，而没有充分探讨单测角相对导航与轨道制导之间的耦合特性以及利用耦合特性。这样做确实可以提高相对导航精度，但是约束了收稿日期：2014-06·27；退修日期：2014—07—07；录用日期：2014-10·29；网络出版时间：2014．11—0416：31网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detaU／107527／S1000．68932014．0301h廿nI基金项目：国家自然科学基金(11072194)；西北工业大学博士论文创新基金(CX201404)；中央高校基本科研业务费专项资金(3102014K

6、YJD007)*通讯作者．Tel：029-88493350E-mail：jjluo@nwpu．edu．cn引甩椿武lGongBC，LuoJJ。YuanJP，eta1．Angles-onlyrelativenavigationintegratedwithclosed-loopguidancetechnologybasedonob—servabilityanalysisEJ]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015，36(7)：2411-2419．龚柏春，罗建军．袁建平，等÷基f可观阕性势柝的单阕角相对导航与离环钢导技术tJ]．航空

7、学报。2015，36(7)：2411-2419．航空学报绕飞、交会等实际操作任务中相对轨道制导的自由度，同时也带来了更多的燃料消耗与安全风险。因此，本文从依赖视线角信息完成空间自主接近任务的目的出发，基于可观测性分析进行单测角相对导航与闭环制导技术研究。首先给出采用的相对运动方程和量测方程，并从新视角进行系统的可观测性分析，获得系统可观测条件，然后结合多脉冲滑移制导策略探讨单测角相对导航与制导之间的耦合关系，设计导航与闭环制导方案，最后进行数值仿真验证。1相对运动方程采用目标器轨道坐标系Oxyz，原点0位于目标器质心，z轴在轨道面内指向速