MSL测控特点以及自主火星探测测控关键技术

火星科学实验室任务测控通信与导航技术代表了目前该领域的最新方向。在结合火星科学实验室任务特点并对其对测控通信系统设计性能、导航性能进行分析的基础上,以未来的自主火星探测以及火星采样返回任务为潜在工程应用目标,结合我国月球和深空探测测控系统的现状,梳理了我国未来自主火星探测中火星中继网络、火星探测器精密定轨,以及火星大气进入、下降和着陆过程中的信号检测与估计等关键技术。该研究对后续的自主火星探测测控通信系统的设计具有一定的参考价值,对推进我国深空探测测控系统的发展具有重要意义。     

一种基于虚拟导航点的超低空飞行器威胁回避算法研究

为解决超低空飞行器在飞行过程中遇到突发威胁时的自主回避问题,提出了一种基于虚拟导航点的威胁回避算法。此算法以超低空飞行器具备自主探测能力为前提,针对不同威胁的规模和种类可快速生成虚拟导航点,实现对威胁的回避。结合算法设计和模型建立,将算法应用于存在未知威胁情况下的超低空飞行器实时自主飞行中,并进行了仿真。仿真结果表明,该算法理论简单,易于实现,能够有效保证超低空飞行的安全性。     

载人火星探测进展及其EDL过程GNC关键技术

随着火星探测技术的不断发展和探测任务的不断推进，载人火星探测在未来将会成为火星探测的重要手段。首先，回顾了无人火星探测任务的发展历程，对比分析了部分无人火星探测器进入、下降与着陆（EDL）过程的参数。然后，结合无人火星探测、载人月球探测和载人航天再入过程，梳理了载人火星探测的特点及需求，系统地总结了前苏联/俄罗斯和美国的载人火星探测研究进展以及技术储备。接着，归纳了载人火星探测的体系构成、集结方式和主要的技术挑战。最后，概括了载人火星EDL过程面临的难题，重点阐述了EDL的导航、制导与控制（GNC）关键技术。     

绕月探测器的自主光学导航研究

提出了一种利用高斯-马尔科夫过程和Unscented卡尔曼滤波的绕月探测器自主光学导航算法。针对很难事先确定精确地绕月探测器轨道动力学模型问题,提出利用高斯-马尔科夫过程来近似轨道动力学中的无模型加速度,进而提高了轨道动力学模型的精度;考虑到基于扩展卡尔曼滤波的轨道确定存在的问题,提出利用基于Unscented卡尔曼滤波来估计探测器的位置、速度及无模型加速度,提高了轨道估计精度和保证了算法的稳定性。最后,通过数学仿真验证了自主光学导航算法的有效性。     

小型无人机的导航与制导仿真系统研究

研究了基于飞行器动力学模型的小型无人机的惯性组合导航与制导系统仿真技术,组合导航系统嵌入了飞行器的轨迹和姿态控制回路,建立了基于MATLAB/AEROSIM的组合导航计算机仿真系统,仿真系统包括惯性组合导航仿真模块、传感器仿真支持模块、飞行器6自由度动力学模型模块、飞行器轨迹生成、轨迹控制与姿态控制模块、导航仿真评估模块。基于该仿真系统,目前已开展惯性/卫星深组合、惯性/大气数据融合等理论算法和技术研究。     

火星中继应答机技术现状及发展

火星中继已作为火星探测重要组成部分,被美国NASA(National Aeronautics and Space Administration,国家航空航天局)和ESA(European Space Agency,欧空局)广泛应用于火星EDL(Entry,Descent and Landing,进入、下降和着陆)以及火星表面探测中。针对该情况,介绍了火星中继系统的组成和工作情况。结合NASA和ESA火星探测的成功经验和成果,重点对火星轨道器和着陆器的中继应答机的性能进行了梳理和分析,并对该技术的后续发展进行了展望。基于此,可为我国自主火星探测提供借鉴和参考。     

改进的粒子滤波算法在软着陆小天体中的应用

针对小天体软着陆过程中估计目标天体质心视线的导航方法失效问题,给出了一种基于特征点信息的自主光学导航方法。为了进一步提高对轨道参数的估计精度,考虑到系统中存在的非高斯噪声,以及基本粒子滤波算法带来的粒子退化和采样枯竭问题,给出了一种改进的粒子滤波算法。最后,通过仿真计算,验证了所给出的自主光学导航方法以及改进的粒子滤波算法的可行性和有效性。     

星座自主导航可视化仿真与分析系统的研制

近年来,星座自主导航技术在卫星自主导航领域越来越引起人们的关注。为更好地研究星座自主导航方法,本文从数据分析、视景仿真和导航解算三个方面论述了星座自主导航视景仿真系统的实现过程。该仿真系统采用ADO技术、OpenGL技术和MATCOM软件来分别实现数据分析模块、视景仿真模块和星座自主导航解算。实验结果表明,软件最终达到了集数据分析、视景仿真和导航解算于一体的仿真效果。     

深空探测自主导航技术综述

由于深空探测任务具有飞行时间长、距离远、环境复杂多变的特点,基于地面深空网的导航方法存在通信时延大、传输效率低以及天体遮挡等问题。自主导航技术可以使探测器具备自主执行部分或全部导航功能的能力,大大减轻了探测器对地面站的依赖程度,已成为深空探测领域的重点研究内容。从国内外深空探测任务的实际工程需求出发,首先概述了天文导航、惯性基组合导航以及星间测量导航方法的基本原理,其次介绍了三种自主导航方法的国内外发展现状,并重点分析了三种自主导航方法的关键技术,最后对未来深空探测自主导航技术发展给出了若干建议。     

通过全球专利分析看深空探测 自主导航与控制技术发展

深空探测作为人类航天活动的重要方向,是人类探索宇宙奥秘和寻求长久发展的必然途径,也是衡量一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要标志.作为深空探测中的一类重要技术,自主导航与控制技术越来越多地受到关注并得到应用,成为各国深空探测技术研究和发展的热点之一.以深空探测自主导航与控制技术为对象,通过专利检索分析,研究国内外发展现状,试图获得技术趋势.     

基于步进式运动模型的单兵协同导航算法设计

基于足部微惯性测量单元(MIMU)和超宽带测距的协同导航技术是一种解决卫星信号受限环境下单兵自主导航难题的有效途径。根据零速修正辅助的惯性解算特点,建立了一种单兵协同导航模型,协同导航状态为各单兵的位置和航向,系统输入为足部MIMU提供的每步位移和航向增量。将算法与相关文献中提出的两种算法进行了对比分析,该算法的优点是无需对足部惯导模块做任何改动和进行反馈修正,易于工程实现且不损失精度。通过三人协同导航试验分析了算法的性能,数据分析表明协同导航在不同条件下可以不同程度地改善系统的定位性能。     

Mars navigation system utilizes GPS

Tasks envisioned for future generation Mars rovers - sample collection, area survey, resource mining, habitat construction, etc. - will require greatly enhanced navigational capabilities over those possessed by the Mars Sojourner rover. Many of these tasks will involve cooperative efforts by multiple rovers and other agents, adding further requirements both for accuracy and commonality between users. This paper presents a new navigation system a "Self-Calibrating Pseudolite Array" (SCPA) that can provide centimeter-level, drift-free localization to multiple rovers within a local area by utilizing GPS-based transceivers deployed in a ground-based array. Such a system of localized beacons can replace or augment a system based on orbiting satellite transmitters, and is capable of fully autonomous operations and calibration. This paper describes the prototype SCPA developed at Stanford to demonstrate these capabilities and then presents results from a set of field trials performed at NASA Ames Research Center. These experiments, which utilize the K9 Mars rover research platform, validate both the navigation and self-calibration capabilities of the system. By carrying an on-board GPS transceiver, K9 was successfully able to calibrate the system using no a priori position information and localized the pseudolite beacons to under 5 cm RMS.     

Feasibility study of autonomous orbit determination using only the crosslink range measurement for a combined navigation constellation

In order to expand the coverage area of satellite navigation systems, a combined navigation constellation which is formed by a global navigation constellation and a Lagrangian navigation constellation was studied. Only the crosslink range measurement was used to achieve long-term precise autonomous orbit determination for the combined navigation constellation, and the measurement model was derived. Simulations of 180 days based on the international global navigation satellite system(GNSS) service(IGS) ephemeris showed that the mentioned autonomous orbit determination method worked well in the Earth–Moon system. Statistical results were used to analyze the accuracy of autonomous orbit determination under the influences of different Lagrangian satellite constellations.     

航天器自主导航状态估计方法研究综述

自主导航是航天器自主运行的核心关键技术。状态估计是实现航天器自主导航的核心手段,是指实时确定航天器在轨位置、速度和姿态等导航参数,是航天器自主导航技术的重点发展方向之一。首先,针对航天器自主导航的实际需求,阐述了研究航天器自主导航状态估计方法的必要性,具体从导航系统可观测性分析、导航滤波算法、导航系统误差补偿3个方面介绍了航天器自主导航状态估计方法的研究现状;然后,分析并总结状态估计方法在航天器自主导航系统中的实际应用;最后,结合理论研究和实际应用,给出了状态估计方法目前存在的主要问题并对其后续发展进行了展望。     

惯性卫星紧组合导航系统自主完好性算法研究

为保证组合导航系统运行的可靠性和输出导航参数的准确性,结合组合导航系统的自主完好性检测的基本算法,基于气压高度辅助下的卫星导航接收机最小二乘检测法和组合导航卡尔曼卡方检验法,提出了一种能够识别突变故障和缓变故障的组合导航系统自主完好性检测的算法,充分利用导航系统中高精度惯导系统的导航信息,实现了组合导航系统的自主完好性检测算法,提高了组合导航系统在复杂环境下的导航信息可靠性。     

Autonomous navigation to quasi-periodic orbits near translunar Ubration points

Libration-point missions have been very useful and successful. Due to the unstable natures of most of these orbits, the long-time stationkeeping demands frequent maneuvers and precise orbit determinations. Earth-based tracking will have to undertake much more responsibilities with the increasing number of libration missions. An autonomous navigation system could offer a better way to decrease the need for Earth-based tracking. Nevertheless, when an autonomous navigation system is applied, there are three important factors affecting autonomous navigation accuracy, i.e., the accuracy of initial conditions, the accuracy of measurements, and the accuracy of onboard dynamics for propagation. This paper focuses on analyzing the influence from the third factor and finding an appropriate navigation dynamics, which can satisfy the requirement of estimation accuracy but not cause too much burden for onboard computation. When considering the restricted three-body model and the bicircular restricted four-body model as navigation dynamics, the astrin- gency is not shown during the simulations. Meanwhile, when considering the influences of the Sun＇s direct and indirect perturbations and the eccentricity of the Moon＇s orbit, a new navigation dynamic model with the standard ephemerides is proposed. The simulation shows the feasibility of the proposed model.     

地面无人平台视觉导航定位技术研究

地面无人平台实现自动驾驶等功能的核心难题在于如何感知其所处环境并获得自身在环境中的实时状态。机器视觉作为地面无人平台在复杂环境下实现自主导航及定位的重要手段,近年来得到了快速发展。系统性地分析了视觉定位与地图构建系统的基本架构,并对该架构包含的图像信息预处理、视觉里程计、回环检测、全局优化和地图构建模块分别进行了详细介绍。针对各模块所涉及的关键技术,总结了近些年来国内外主流的研究成果,对比分析了各个关键技术中主流方法的性能,并展望了地面无人平台视觉导航定位技术的发展方向。     

基于气压高度辅助的机载自主完好性监测算法

卫星接收机自主完好性监测是指根据用户接收机的多余观测值监测用户定位结果的完好性,其目的是在导航过程中检测出发生故障的卫星,并保障导航定位精度。针对卫星接收机自主完好性监测算法可用性不足的问题,结合机载实际导航系统配置,提出了一种基于气压高度表辅助的机载自主完好性监测算法。综合利用卫星导航系统及气压高度表观测信息,建立联合系统的观测模型,推导了基于多解分离的完好性监测及保护级别计算方法。仿真结果表明,相比于传统的接收机自主完好性监测算法,该算法在可见星为5颗时仍能识别故障卫星。该算法具有更好的故障检测能力及可用性,能有效提高卫星导航系统的完好性监测性能,从而保证卫星导航系统的精度和可靠性。