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摘 要

在如今的空间科学研究中，学界对于近地小行星（NEA）的研究与探测是为了进一步的了解太阳系的起源，演化和其组成，从而人类可以进行更深入的深空探测活动。但是在NEA中，存在着一类对于地球安全构成潜在威胁的小行星，这使得NEA的探测与期轨道偏转技术成为今年来的研究大热。在进行NEA探测和偏转任务时，目标小行星对的运动轨道的确定以及探测飞行器的自主导航和其控制对任务成功执行至关重要，也是这项技术的重点与难点。小行星物理特性无法精确获取，进而使得小行星附近的动力学环境极难确定，从而给飞行器的导航与控制带来难度，精确的自主导航方法对任务成功与否有决定性作用。

本文提出了一种基于多传感器导航方法，实现飞行器编队在近地小行星附近的自主导航。数据由地面摄像机和激光探测预测量技术(LIDAR)收集，再用于估计每个航天器相对于小行星的状态。然后，将航天器的位置测量量与航天器到小行星的位置测量量相结合，以提高精度。本文研究了使用扩展卡尔曼滤波技术（EKF）来估计两空间飞行器编队相对于小行星的状态。不同的测量量相互结合构造出以评估由两个飞行器收集的测量的数据融合提供的导航性能的改进。此外，导航系统的鲁棒性被测试以应对故障的发生来。结果表明，通过添加航天器间位置矢量的测量，导航性能表现得到显着提高。

关键词：近地小行星近距离飞行器编队；多传感器导航；飞行器编队；EKF；LIDAR;

Abstract

In today’s research for space science, The Near-Earth asteroid (NEA) exploration is set up to reveal the origin, evolution and composition of the solar system , as a result , we will make the deeper space exploration become possible . But there exits a class of asteroids among the NEAs which have a potential security threat to the Earth. Therefore, the asteroid detection and deflection becomes a hot topic in recent years. In the implementation of those missions, orbit determination of the asteroids and autonomous navigation and control of the satellites are the vital issues , also they are the focuses and difficulties in this technology. Because of the difficulty that we can’t get the accurate physical properties of asteroids, we have to face big challenges in the navigation and control system design. Precise autonomous navigation and control strategies play a vital role for the success of the program.

This thesis presents a multi-sensor navigation approach to allow a formation of spacecraft to autonomously navigate in the proximity of a Near Earth Asteroid. Multiple measurements collected by on-board cameras, attitude sensors and LIDAR are used to estimate the state of each spacecraft with respect to the asteroid. Inter-spacecraft position measurements are then combined with spacecraft-to-asteroid position measurements to improve accuracy. The paper analyses the use of different filtering techniques to estimate the state of a 2-spacecraft formation with respect to the asteroid. Different combinations of measurements are constructed to evaluate the improvement in navigation performance offered by the data fusion of the measurements gathered by the four spacecraft. Moreover the robustness of the navigation system is tested against the occurrence of failures. Results show that the navigation performance is significantly improved by adding the inter-spacecraft position measurements.

Key word： Multi-sensor navigation ; Spacecraft formation; Inter-spacecraft; LIDAR ; EKF

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2近地小行星探测器自主导航研究综述 1

1.2.1 光学自主导航方法研究 2

1.2.2 组合导航方法研究 2

1.2.3飞行器编队相对导航方法研究 3

1.3 论文主要内容与章节安排 4

第二章 近地小行星飞行器编队的动力学模型 5

2.1 坐标系定义 5

2.2 坐标系转换 6

2.3飞行编队的动态模型 7

2.4小行星和飞行器在日心框架中的动力学模型 10

2.5 本章小结 10

第三章 基于小行星与飞行器间位置矢量的测量模型的确定 11

3.1 导航相机特征点采集模型 11

3.2 LIDAR测距传感器模型 14

3.3 飞行器间的相对测量 15

3.4 位于地球地面站的测量 15

3.5 太阳多普勒频移传感器模型 15

3.6 本章小结 16

第四章 基于视觉/距离/星间观测的导航方案及滤波器设计 17

4.1 飞行器编队导航方案设计 17

4.1.1 导航滤波器的状态方程 18

4.1.2 导航方案的设计 18

4.2 导航滤波器算法设计 19

4.3 数值仿真结果分析 21

4.3.1 方案一 21

4.3.2 方案二 22

4.3.3 方案三 22

4.3.4 仿真结论 23

4.4 本章小结 24

第五章 总结与展望 25

5.1 论文的主要研究成果 25

5.2 论文的未来展望 25

致 谢 26

参考文献 27

附录 28

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