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深空探测器GNC系统方案设计与仿真研究

作　者: 侯立甲
导　师: 崔祜涛
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 小天体撞击深空探测器导航、制导与控制多线程
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 71次
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内容摘要

小天体撞击探测任务具有很大的科学意义和价值,导航、制导与控制技术作为其关键技术之一,直接决定探测器的功能和性能,关系着探测任务的成功与否。本文针对深空探测器导航、制导与控制分系统进行了方案设计与仿真研究。论文的主要内容包括:首先,对深空探测器导航、制导与控制分系统需要实现的功能目标进行了分析,并基于此分析,在硬件和软件结构层面上对系统的配置进行了设计。其次,通过对深空探测器各种任务模式的分析,对导航、制导与控制算法进行了设计。考虑深空环境下自主性和可行性的要求,利用目标天体图像信息和B平面坐标系,设计了基于扩展卡尔曼滤波的自主光学导航算法,并给出了基于矢量姿态制导的期望姿态和姿态角速度计算方法,同时设计了扩展卡尔曼滤波和星敏感器联合定姿的姿态确定算法。最后,对小天体探测导航、制导与控制仿真分系统进行了设计。通过对导航、制导与控制系统与其它分系统之间数据接口关系的分析,给出了分系统间的交互参数。通过引入多线程操作方式,实现了导航、制导与控制系统的多任务程序的设计。利用仿真程序,对小天体探测任务全过程进行了仿真,结果验证了所提出的导航、制导与控制方案是可行的。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8-9
  1.2 国内外研究现状及分析  9-13
    1.2.1 探测器姿态控制系统研究现状  9-11
    1.2.2 探测器自主导航的研究现状  11-13
  1.3 本文主要研究内容  13-15
第2章深空探测器GNC 系统的功能与配置  15-24
  2.1 GNC 系统需要实现的功能  15
  2.2 GNC 系统各工作模式的功能  15-17
  2.3 GNC 系统的硬件配置  17-20
    2.3.1 硬件配置  17-18
    2.3.2 具体的部件选择  18-20
  2.4 GNC 系统的软件结构  20-23
  2.5 本章小结  23-24
第3章导航、制导与控制算法设计  24-44
  3.1 环境力矩模型  24-27
    3.1.1 太阳辐射力矩  24-25
    3.1.2 引力梯度矩  25
    3.1.3 气动力矩  25-26
    3.1.4 剩磁力矩  26-27
  3.2 自主姿态制导  27-32
    3.2.1 参考姿态的计算  28-29
    3.2.2 参考姿态角速度的计算  29-31
    3.2.3 深空探测器任务模式的三轴姿态制导  31-32
  3.3 姿态确定算法设计  32-35
    3.3.1 状态方程和测量残差方程的建立  32-33
    3.3.2 状态方程和测量方程的建立  33-34
    3.3.3 基于扩展卡尔曼滤波姿态确定算法  34-35
  3.4 轨道确定算法设计  35-42
    3.4.1 B 平面坐标系的引入  35-36
    3.4.2 导航系统状态方程  36-38
    3.4.3 导航系统观测方程  38-39
    3.4.4 基于扩展卡尔曼滤波的自主导航算法  39-42
  3.5 姿态控制算法设计  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第4章 GNC 系统仿真验证  44-57
  4.1 GNC 系统的数据交互  44-46
  4.2 GNC 系统的程序设计  46-50
    4.2.1 多线程设计  46-49
    4.2.2 系统仿真过程  49-50
  4.3 仿真条件  50-51
  4.4 仿真结果分析  51-56
  4.5 本章小结  56-57
结论  57-58
参考文献  58-62
攻读学位期间发表的学术论文  62-64
致谢  64

深空探测器GNC系统方案设计与仿真研究

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