基于x射线脉冲星的航天器自主导航滤波算法研究

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1、硕士学位论文基于X射线脉冲星的航天器自主导航滤波算法研究THERESEARCHOFSPACECRAFTAUTONOMOUSNAVIGATIONALGORITHMBASEDONTHEX-RAYPULSARS王敏哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：V11学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工学硕士学位论文基于X射线脉冲星的航天器自主导航滤波算法研究硕士研究生：王敏导师：金晶副教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：

2、哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V11U.D.C:629.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHERESEARCHOFSPACECRAFTAUTONOMOUSNAVIGATIONALGORITHMBASEDONTHEX-RAYPULSARSCandidate：WangMinSupervisor：Assoc.Prof.JinJingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecia

3、lity：ControlScienceandEngineeringAffiliation：DepartmentofControlScienceandEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要X射线脉冲星导航是以X射线脉冲星作为导航信号源的天文导航方法，其可高精度地为航天器提供在时空参考坐标系下的位置、速度等导航参数，具有可靠

4、性强、精度高、自主性强等特点，是航天器，尤其是深空探测航天器自主导航领域重要的发展方向和研究热点。本文主要以提高航天器的自主导航精度为目标，以脉冲星导航为背景，对自主导航滤波算法展开研究。首先，研究了与脉冲星导航相关的模型。阐述了导航系统的时空模型；介绍了脉冲星的相位时间模型；建立了脉冲星的脉冲传播模型；研究了脉冲星导航系统的轨道动力学模型和观测模型，为本文自主导航滤波算法的仿真研究奠定了基础。为了减少系统模型误差对航天器自主导航精度的影响，提出了基于非线性预测滤波（NonlinearPredi

5、ctiveFilter，NPF）的脉冲星导航滤波算法，该算法可对系统轨道动力学模型中存在的系统模型误差进行实时估计，修正导航系统模型。仿真结果表明，基于NPF的导航滤波算法比基于EKF(ExtendedKalmanFilter)和UKF(UnscentedKalmanFilter)的导航滤波算法自主导航精度更高。为了降低脉冲星方向误差对航天器自主导航精度的影响，提出了基于ASUKF(AugmentedStateUnscentedKalmanFilter)和在线选星的脉冲星导航滤波算法，该算法一方

6、面可有效减小甚至消除脉冲星方向误差对航天器自主导航精度的影响，另一方面可在线选取最优脉冲星组合，提高自主导航精度。仿真结果表明，基于ASUKF和在线选星的导航滤波算法比基于ASUKF的导航滤波算法自主导航精度更高。最后，研究了脉冲星导航仿真系统。将MATLAB和STK（SatelliteToolKit）相结合，设计了导航仿真系统的总体实现方案，详细论述了仿真系统关键模块的设计与实现，并对所设计的仿真系统进行了性能测试。关键词：X射线脉冲星；自主导航；模型误差；脉冲星方向误差I哈尔滨工业大学工学硕

7、士学位论文AbstractAnX-raypulsar-basednavigationisanewkindofcelestialnavigationtechnology,whichusesX-raypulsarasitsnavigationsource.Itcanprovidenavigationparameters,suchaspositionandvelocityrelativetothereferenceframeoftimeandspacewithhighprecisionforspace

8、crafts.Ithashighreliability,highprecision,strongautonomy,etc,andhasbecomeanimportantdevelopmentdirectionandahotresearchsubjectinthespacecraftautonomousnavigationfiled,especiallyforspacecraftsprobingthedeepspace.Inthispaper,weresearchtheX-raypulsar-ba