航天器自主导航与典型案例分析.pdf

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1、航天器自主导航与案例分析西北工业大学航天学院罗建军提纲¾航天自主导航概念与发展现状¾国外先进航天器演示计划简介¾典型航天器GNC方案分析•ATV项目GNC方案•OE计划项目GNC方案•PRISMA项目GNC方案和演示内容•Orion计划及其GNC方案一、航天器自主导航的概念和发展现状●自主导航定义指航天器不依赖地面支持，利用星上自备的测量设备实时地确定自己的位置和速度以及在轨完成飞行任务所要求的导航功能或相关的轨道确定和导航参数解算。典型特征：不依赖地面测控、星上自主测量、实时运行、星上闭环控制。●自主导航方法

2、分类V完全依靠星载设备，自主地完成导航任务，与外界不发生任何光、电联系V与外界发生光、电联系，且依赖于人工信标的导航方法V与外界发生光、电联系，但不依赖于人工信标的导航方法航天器自主导航方法及其特点类型方法特点导航误差随时间积累，主要应用于航天器机动飞与外界不发生任惯性导航行阶段的导航。何光、电联系图像导航精度高，主要应用于近距离相对导航。导航卫星（如GPS，精度高，技术相对成熟，易受干扰。GLONASS，依赖于人工信标天基信标GALILEO）的自主导航方法TDRSS自主精度与卫星导航相似，费用低，仅限于授权用

3、户导航系统使用。地基信标精度高，但导航范围有限。天文导航自主性强，精度适中；技术复杂，实现难度大。不依赖于人工信标的自主导航方地磁导航体积小，重量轻，功耗低，但导航精度较差。法雷达测高导航与星敏感器组合，重量、功耗较大。自主导航的发展需求：航天器自主导航技术是卫星自主性的一个重要方面，是航天器实现自主运行的基础，对航天器执行飞行任务具有重要意义，是当今航天科技与应用优先发展的关键技术之一，也是航天器飞行控制技术发展的趋势。¢一方面，随着进入太空的航天器种类和数目的急剧增加，地面站对航天器进行跟踪、测控和数据处理

4、的负担越来越重，航天器自主导航在减轻地面测控负担、降低卫星运行费用、提高卫星的生存能力和扩展航天器的应用潜力等方面具有重要意义。¢另一方面，载人航天器和深空探测飞行器的飞行控制，航天器在轨服务技术的试验和未来的应用、航天器编队飞行技术的应用，更是对航天器自主导航提出了迫切的需求。随着航天器测量技术、GNC技术的进展以及星上数据处理与计算功能愈来愈强大，航天器的自主导航已从需要变为现实。航天器自主导航的框架航天器自主GNC系统任务规划与模式切换航天器自主导航的发展现状：自主导航是航天器自主运行和高级应用的使能技术

5、。鉴于依赖地面站的卫星导航存在很大的局限性、卫星自主导航技术在航天器飞行任务中的重要性和它的军事价值，许多军用航天器要求采用自主导航。基于星载仪器的航天器自主导航技术的发展历程时间自主导航系统名称测量类型开发的主要技术姿态基准系统(三个捷联式陀螺和一个利用惯性基准的地平扫描数据进行航天1963-1964美国空军283计划带框架的星跟踪器)器导航，捷联式惯性测量技术地平扫描广泛的性能预测技术，利用陆标跟踪器地平扫描空军标准化空间制导给出的航天器与陆标之间的方向矢量的1964已知和未知陆标跟系统（SSGS）测量值，

6、与姿态的惯性基准相结合实现踪自主导航时间自主导航系统名称测量类型开发的主要技术空间精确姿态基准系统捷联式狭缝型星敏感器1964-1974为DMSP计划研制的样机（SPARS）捷联式陀螺已知和未知陆标跟踪干涉1970自主导航技术（ANT）系统性能改进技术，部分敏感器研制测量高高度导航系统1973-197554种结构的组合性能预测，比较，六分仪，被动测距（HANS）捷联式镶嵌型星敏感器高高度姿态基准系统采用或不采用捷联式陀螺的三个星敏感1976-1979（采用CCD）（HAARS）器系统方案捷联式陀螺空间六分仪自主

7、导航和姿1977-1981空间六分仪（SS）飞行试验单元，在轨性能态基准系统(SS/ANARS)HAARS姿态测量系统多任务姿态确定和自主导1979-1985地平扫描MADAN导航系统航系统（MADAN）其它导航敏感器红外地球敏感器1994麦氏自主导航系统MANS日、月敏感器MANS导航系统高度计先进图像制导敏感器图像导航、近距离六自由度相对位置和2004图像导航与制导系统（AVGS）姿态确定2004XNAV计划X射线敏感器X射线脉冲星导航随着航天器系统与技术发展、敏感器和测量技术的进步以及航天器自主性和智能化

8、程度提高，航天器自主导航技术和方法还在不断发展近期发展的重点方向有：V紫外敏感导航、星光折射导航以及X射线脉冲星导航V航天器之间的相对导航V利用GNSS的导航和卫星/惯性组合导航V视觉导航和图像/惯性组合导航到目前为至，绝大多数航天器的导航任务仍然是依靠地面测控系统完成的，这从一个方面反映了航天器自主导航的难度。二、国外先进航天器技术演示验证计划和项目近几年来，国外相继开展了多个先进航