悬浮轨道X射线脉冲星自主导航方法研究

In the space science observations, many natural phenomenons appear like a flash in the span, and these phenomenons may not be observed due to the proximity of some celestial bodies or radial sources disturbances. Therefore, it is necessary to improve the observation efficiency during the limited time, and displaced orbit provides a feasible way to solve this challenge. For example, based on displaced orbit, spacecraft can stay on the polar region of the earth to perform continuous observations, or can suspend on the Mars to reduce the signal propagation time between the earth and Mars to ensure the continuous communications. Therefore, displaced orbit has a favorable application foreground in the future space science research, but the navigation problem of which has not be solved. As a prospective navigation method, X-Ray pulsar navigation has the advantages of stabilization, reliability, high accuracy and extensive scope of application. Based on the dynamics characteristics analyse of displaced orbit, the autonomous navigation models associated with X-Ray pulsar are formulated, system feasibility and the dealth method of uncertain factors are studied. With the objective of high accuracy and reliability, X-Ray pulsar /SINS integrated navigation scheme is designed, and the information fusion mechanism and fusion algorithm for the integrated navigation system are studied. This program can provide the theory references and technique support for the further application of the pulsar navigation and the future space exploration.

在空间科学观测中，很多自然现象昙花一现，同时由于天体遮挡或其它射源干扰，如何在有限时间内提高观测效率是一个难题，悬浮轨道是一种可能的解决途径。航天器悬浮于极地上方，能够对极地现象进行连续观测；悬浮于火星上方，可以缩短地球火星通讯信号传播时间，保证通信连续。因此，在未来的空间科学研究中，悬浮轨道具有良好的应用前景，但其导航问题尚未得到有效解决。 作为一种前瞻性导航方法，X射线脉冲星导航性能稳定、可靠，精度高，适用范围广。本项目以悬浮轨道动力学特性分析为基础，解决基于X射线脉冲星的悬浮轨道自主导航数学模型与系统可观性问题，研究悬浮轨道脉冲星导航中的不确定性因素处理方法；以高精度、高可靠性自主导航为目标，结合悬浮轨道特点，设计脉冲星/SINS组合导航方案并建立相关数学模型，发展组合导航系统的信息融合机制与融合算法，为脉冲星导航的进一步应用拓展提供理论支撑。

在广泛调研和查阅大量文献基础上，按照悬浮轨道控制方式归纳总结了悬浮轨道动力学模型特点，针对典型任务轨道，在充分考虑各种摄动因素影响基础上，建立了悬浮轨道动力学模型，以仿真验证为主、解析推导理论为辅，分析了悬浮轨道演化规律及影响因素，梳理并总结了悬浮轨道的力学特性，量化分析了各种摄动因素对悬浮轨道的影响。.针对X射线脉冲星导航系统的特点和需求，同时针对航天器对自主导航的需求，设计了脉冲星导航总体技术方案，确定了脉冲星导航系统工作模式，给出了各组合导航方案下的系统工作流程，建立了X射线脉冲星导航系统体制，采用非线性系统可观性判据和PWCS可观性分析等方法，论证了基于X射线脉冲星的悬浮轨道自主导航可行性。推导并建立了系统状态方程和测量方程，设计了自适应非线性定轨滤波方案。针对自适应滤波器可能出现较强发散的问题，采用强跟踪滤波器进行抑制，通过改变预测协方差矩阵来修正增益，达到了抑制发散的效果，提高了滤波器性能，结合悬浮轨道动力学特性分析结果，仿真分析了各主要摄动项对导航精度的影响。.基于X射线脉冲星导航特点和惯性导航优势，充分考虑悬浮轨道特点，设计了X射线脉冲星/惯性组合方案，建立了X射线脉冲星/SINS组合导航模型，归纳总结了X射线脉冲星导航和惯性导航的各自系统动力学模型特点，选择合理的状态变量，建立了高精度的组合导航动力学模型。针对不同类型的滤波算法，科学融合不同类型的测量信息，推导并建立不同组合模式下的系统测量方程，分析了融合滤波的信息分配机理，研究X 射线脉冲星/SINS组合导航的融合滤波算法并分析不同滤波算法对导航精度和系统可靠性的影响。