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深空探测测速测角组合导航性能评估平台的设计与实现

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目录

声明

第一章 绪论

1.1.1 背景

1.1.2 意义

1.2.1 深空探测活动的研究

1.2.2 自主导航技术的研究

1.2.3 自主导航滤波方法的研究

1.2.4 自主导航性能评估的研究

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本文的结构安排

第二章 天文组合自主导航系统的分析

2.1 自主导航关键技术

2.1.1 动力学系统模型的建立

2.1.2 扩展卡尔曼滤波

2.1.3 无迹卡尔曼滤波

2.1.4 粒子滤波

2.1.5 无迹粒子滤波

2.2 天文测角导航系统

2.3 天文测速导航系统

2.3.1 测速导航原理

2.3.2 测速导航量测模型的建立

2.4 天文组合自主导航系统

2.5 本章小结

第三章 导航系统的性能评估体系

3.1 导航系统性能评估指标

3.1.1 精度

3.1.2 实时性

3.1.3 连续性

3.1.4 可用性

3.2 综合评估

3.2.1 层次分析-熵权法

3.2.2 效用剩余函数

3.3 本章小结

第四章 导航系统性能评估平台

4.1 总体方案

4.2 物理逻辑模块

4.2.1 物理逻辑算法

4.2.2 物理逻辑的程序实现

4.3.1 非线性滤波算法

4.3.2 评估基础指标算法

4.3.3 综合评估算法

4.4评估显示模块

4.4.1 网络连接模块

4.4.2 串口连接模块

4.4.3 数据计算模块

4.4.4 评估结果显示模块

4.5 本章小结

第五章 测试案例

5.1.1 滤波算法对比

5.1.2 导航方法对比

5.2 综合评估

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

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摘要

深空探测是人类航天活动的重要方向,对国家的科技、经济和社会发展有着重要意义。深空探测具有时间长、航程远和环境未知多变等特点,基于以上特点,深空探测需要采用高精度的自主导航技术。同时,单一的导航方法可能不能满足探测器对导航系统性能的更高要求,因此可以将某几种导航方式进行有效地结合,使得组合导航的系统性能能够优于子系统。天文测速测角组合自主导航具有无延时、自主性高等特点,非常适合深空探测。同时由于滤波方法在自主导航技术中也发挥着重要的作用,能够提高导航精度,因此对导航系统及其滤波性能的评估是不可或缺的。 本文以深空探测中的火星探测为背景,通过设计并实现导航评估系统,对导航方法及应用于导航系统的扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)、无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)和无迹粒子滤波(Unscented Particle Filter,UPF)进行性能评估,并将评估结果以直观的图形界面显示用于分析比较。本文的主要工作内容有: 1.研究了天文自主导航技术的原理,分析了导航系统的轨道动力学模型和量测模型。分析了多种滤波方法的原理与特点,并应用到了天文测速测角组合自主导航系统。 2.针对自主导航系统,建立了一套性能评估体系,包括性能评估指标和综合评估算法。分析了精度、可用性、连续性和实时性这些评估指标的具体含义,为了综合考虑各评估指标,提出了层次分析-熵权法和效用函数进行综合评估,可以提高评估结果的准确性,更加全面、系统、准确地对导航系统进行评估。 3.针对深空探测的项目背景,提出了导航评估软件平台,采用Qt框架开发,实现了导航滤波数据的接收,通过指标评估算法和综合评估算法对导航系统进行评估,然后将结果通过平台界面实时显示,同时提供了分屏、放大缩小等功能以方便对各滤波方法、导航方法进行对比分析。 4.使用导航评估平台对火星探测巡航段的数据进行评估,得到各个评估基础指标的结果曲线,通过层次分析-熵权法和效用函数进行综合评估,对评估结果进行分析得出一致性结论。

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