航天器近距离交会自主光学相对导航算法与研究.pdf

中图分类号:V448 论文编号:1028715 12-S007 学科分类号:081105 硕士学位论文航天器近距离交会自主光学相对导航算法研究研究生姓名贺江涛学科、专业导航、制导与控制研究方向航天器交会对接自主导航指导教师李爽副教授南京航空航天大学研究生院航天学院二О一二年三月 NanjingUniversity of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Astronautics Autonomous Optical Relative Navigation Algorithms for Spacecraft Close-range Rendezvous A Thesis in Guidance, Navigation and Control by He jiangtao Advised by Associate Professor Li shuang Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering March 2012 承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名: 日期: 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘要空间运输、载人航天、在轨服务、深空探测等不同航天活动的任务目标各有侧重,但都涉及到航天器相对位置和方位的确定、变化与保持,都对相对导航的精度提出了较高的要求。因此,开展相对导航算法的研究对于当下和未来的航天活动而言具有重要的学术价值和工程应用价值。本文以合作航天器近距离交会任务为背景,重点研究了基于光学测量的航天器相对导航算法。论文的主要内容包括: 首先,建立了航天器交会对接动力学模型。本文采用Hill方程作为航天器的相对轨道动力学模型,姿态运动学模型则使用刚体姿态运动方程,并在小角度的假设下进行了线性化处理。其次,D相机测量的航天器近距离交会相对导航算法。用CCD相机测量追踪器到目标器上4个菱形构型光学特征点的方向矢量,再分别借助于高斯最小二乘微分修正算法和卡尔曼滤波算法得到航天器的相对位置和姿态。接着,D相机在测量时丢失了距离信息,导致该算法在初始阶段导航位置误差比较大,所以有必要引进距离测量信息。D/激光测距组合测量的航天器近距离交会相对导航算法。D相机测量的方向矢量和激光测距仪测得的距离构建新的观测量——距离矢量,推导出了定义于目标航天器坐标系下的追踪航天器的相对位置和姿态,并设计了间接卡尔曼滤波器来抑制测量噪声。最后,基于单纯光学测量的相对导航方法需要进行图像处理,计算量大,只能提供稀疏的位姿估计,D组合导航算法。该算法利用IMU的高采样率实时跟踪航天器的动力学特性,D相机的外部测量来在线估计和补偿IMU 的偏差,该组合导航算法集合了惯性和光学单一导航方式的优点,可以有效地提高相对导航精度和可靠性。关键词:近距离交会,相对导航,光学测量,组合导航,卡尔曼滤波航天器近距离交会自主光学相对导航算法研究 II ABSTRACT Differentspaceactivities, such as space transportation, manned space flight, on-orbit servicing and space exploration, havedifferentmissiongoals. However, they areall relatedto the determination, change and keep of relativepose between two spacecrafts, and need relative navigationtechniques with high , the study onrelati