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火星探测器行星际定轨研究

作　者: 李杰
导　师: 郑勇
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: “萤火”火星探测轨道确定协方差分析敏感度分析光压模型误差自适应定轨动量轮卸载单程/差分测速频偏频漂
分类号: V412.41
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

我国正与俄罗斯联合开展“福布斯/萤火”火星探测计划,其中火星探测器定轨是工程和科学试验任务的重要组成部分。当跟踪数据给定,力学模型和观测模型精确度一定时,定轨精度主要取决于误差源统计性质的准确度以及参数可观测性等。一方面火星探测器定轨的误差源较多,为了减弱误差源对定轨精度的影响,必须了解清楚各个误差源对定轨影响的特性,然后据此重点对主要误差源进行处理。另一方面,由于参数可观测性和可解性的限制,需要分析不同数据处理方案的效果。本文以中俄“福布斯/萤火”(Phobos/YH)火星探测计划为背景,选择了火星探测器定轨中某些问题进行研究,主要包括:进行了“萤火”行星际转移段定轨误差预算分析和误差源敏感度分析,得到了对定轨精度影响最大和最敏感的主要误差源;提出一种基于综合自适应滤波法的定轨方案,以补偿主要误差源之一的光压模型误差;针对另外一个主要误差源动量轮卸载,给出一种利用高精度的距离和多普勒观测数据,检测动量轮卸载发生时刻的方法;最后,对基于单程/差分测速的“萤火”环绕火星段不同定轨方案所得的解的精度进行了分析计算。具体来说,本文的主要研究内容和结论有:1.基于“福布斯/萤火”计划,用STK软件仿真了“萤火”转移段和环绕段的轨道。在此基础上利用自编程序给出了考虑多种力模型和观测模型的仿真轨道和观测量,并进行了测站可见性和可视弧段分析。系统介绍了深空探测器定轨各误差源的情况,包括产生原因、校准改正方法以及目前的修正残差水平。2.利用考察参数协方差分析法比较了“萤火”转移阶段两种定轨方案对应的定轨精度。指出将地球定向参数(EOP)和介质延迟作为考察参数并不会明显降低定轨精度;针对EOP和介质延迟参数一并估计的定轨方案,分析了各种误差源对定轨误差的贡献,得出了影响定轨精度的主要误差源——光压模型误差、其它的非引力加速度误差和观测噪声。3.利用统计信息协方差分析法计算了当实际系统环境中参数先验协方差固定,而使用的滤波器模型中参数的设计值变化时,对定轨精度的影响情况。得到了不同观测类型组合数据处理方案中各误差源敏感度的定量分析,其中共同的敏感性强的误差源为观测噪声、轨道先验协方差、随机加速度过程噪声水平、光压系数先验协方差和极移的先验协方差。4.利用统计信息协方差分析法计算了当使用的滤波器模型中参数设计值固定,而实际环境系统参数的先验协方差变化时对定轨精度的影响情况。以影响较大的误差源非引力加速度和影响较小的误差源UT1-UTC为例进行计算。得出结论为,实际定轨误差随误差源中误差增大而增大,敏感度也缓慢递增,并且定轨误差对大误差源的敏感度比小误差源大许多。5.分析了卫星结构、姿态和表面反射性质不准确的情况下的,利用三种数据组合方案,只估计光压参数补偿模型误差的定轨效果。三种数据组合为:距离、多普勒+ΔDOR以及多普勒。结果显示只用距离数据定轨的方法将导致定轨发散而且光压系数估计值严重歪曲,多普勒+ΔDOR和多普勒单独定轨的结果虽然仍能有效定轨但径向定轨精度较差。6.基于综合自适应滤波方法,提出了一种存在较大光压模型误差时的火星探测器行星际定轨方案。针对“萤火”转移段的仿真分析表明,当存在较大光压模型误差时,该定轨策略既能抑制滤波发散,又能充分利用精确的距离数据,给出径向和沿迹方向较精确的位置信息,减轻了调整随机加速度模型中的参数σ和τ的工作量。7.提出了一种检测行星际转移段动量轮卸载并确定其发生时刻的方法。详细讨论了多种不同条件下该方法的检测动量轮卸载的有效性和检测能力,仿真结果表该该方法时刻确定形式精度为10分钟。分析对比了四种动量轮卸载估计方案的效果。8.分析计算了利用单程和差分测速观测量定轨的技术可能性及其定轨精度。初步分析了测控网的优化设计方案以及航天器所携带的超稳晶振的频偏和频漂对定轨精度的影响特性。分析比较了较为客观跟踪条件下满足工程定轨要求的定轨方案。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
第1章绪论  11-17
  1.1 研究背景与意义  11-13
  1.2 火星探测器行星际定轨数据处理研究历史和现状  13-15
    1.2.1 国外行星际定轨算法研究历史  13-14
    1.2.2 国外行星际定轨算法研究现状  14-15
    1.2.3 国内研究现状  15
  1.3 论文的主要工作和内容安排  15-17
第2章深空探测器定轨技术基础  17-35
  2.1 行星际定轨误差源  17-25
    2.1.1 与飞行器有关的误差  18-20
    2.1.2 与观测有关的误差  20-24
    2.1.3 星历误差  24-25
  2.2 深空探测器轨道观测技术  25-27
    2.2.1 传统测距测速手段及其改进  25-26
    2.2.2 VLBI类型观测量  26-27
  2.3 定轨序贯估值方法  27-29
  2.4 萤火任务  29-35
    2.4.1 任务简介  29-30
    2.4.2 轨道和航天器  30-31
    2.4.3 跟踪场景  31-35
第3章误差源对定轨精度影响的分析  35-65
  3.1 引言  35
  3.2 协方差和敏感度分析方法  35-45
    3.2.1 考察参数协方差分析  36-40
    3.2.2 统计信息协方差分析  40-43
    3.2.3 误差影响分析  43-45
  3.3 有关地面系统参数估计的两种定轨方案比较  45-47
    3.3.1 估计方案  45-47
    3.3.2 效果评估  47
  3.4 误差影响计算  47-56
    3.4.1 误差源情况  47-49
    3.4.2 多普勒的结果  49-51
    3.4.3 多普勒/距离的结果  51-53
    3.4.4 多普勒/距离/ΔDOR的结果  53-55
    3.4.5 误差影响总结  55-56
  3.5 滤波器噪声设计值变化的敏感度分析  56-61
    3.5.1 误差源噪声情况  56-57
    3.5.2 敏感度分析结果  57-61
  3.6 真实环境噪声实际值变化的敏感度分析  61-63
  3.7 本章小节  63-65
第4章自适应定轨处理光压模型误差  65-77
  4.1 引言  65
  4.2 用反射系数吸收光压模型误差进行定轨  65-69
    4.2.1 光压摄动力的仿真模型和定轨模型  65-67
    4.2.2 用反射系数吸收光压模型误差的定轨结果  67-69
  4.3 自适应定轨补偿光压模型误差  69-75
    4.3.1 基于状态噪声矩阵开窗估计的自适应定轨方法  70-71
    4.3.2 模拟计算和分析  71-75
  4.4 本章小节  75-77
第5章检测和估计动量轮卸载  77-95
  5.1 引言  77-78
  5.2 一种检测和确定动量轮卸载发生时刻的方法  78-81
    5.2.1 仿真条件  78-79
    5.2.2 检测动量轮卸载  79-80
    5.2.3 估计动量轮卸载时刻  80-81
  5.3 不同条件的检测和时刻估计效果  81-86
    5.3.1 单站距离和多普勒数据的情况  81-83
    5.3.2 Ue、Te和Ne三方向ΔV量值不同时的情况  83-85
    5.3.3 存在测距系统误差的情况  85-86
  5.4 估计ΔV  86-93
    5.4.1 偏导数问题  87-88
    5.4.2 不估计ΔV的估计方案  88
    5.4.3 时刻准确时短弧AMD重建  88-91
    5.4.4 利用估计的时刻和短弧数据估计AMD  91-93
  5.5 本章小结  93-95
第6章 “萤火”环绕段定轨分析  95-105
  6.1 引言  95-96
  6.2 坐标系、观测方程和误差源  96-98
    6.2.1 坐标系  96-97
    6.2.2 观测方程  97-98
    6.2.3 误差源  98
  6.3 定轨分析  98-103
    6.3.1 仿真条件  98-100
    6.3.2 计算方案、结果和结论  100-103
  6.4 本章小节  103-105
第7章总结与展望  105-109
  7.1 本文工作总结  105-107
  7.2 今后研究工作展望  107-109
附录A 协方差分析公式  109-117
  A.1 一种综合的估计参数和考察参数协方差分析递推公式  109-113
    A.1.1 当动力学系统和观测系统准确时的情况  109-110
    A.1.2 当动力学系统和观测系统存在误差时的情况  110-113
  附录B 坐标参考系统  113-117
    B.1 J2000 太阳系质心坐标系  113
    B.2 J2000 地心天球坐标系  113
    B.3 RTN坐标系  113
    B.4 地心航天器速度坐标系（UeTeNe坐标系）  113
    B.5 B平面坐标系和B平面参数  113-117
参考文献  117-122
作者简介攻读博士学位期间完成的主要工作  122-123
致谢  123

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