航天器自主导航与典型案例分析

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1、航天器自主导航与案例分析航天器自主导航与案例分析西北工业大学航天学院 罗建军西北工业大学航天学院 罗建军提 纲提 纲?航天自主导航概念与发展现状航天自主导航概念与发展现状?国外先进航天器演示计划简介国外先进航天器演示计划简介?典型航天器GNC方案分析典型航天器GNC方案分析?ATV项目GNC方案ATV项目GNC方案?OE计划项目GNC方案OE计划项目GNC方案?PRISMA项目GNC方案和演示内容PRISMA项目GNC方案和演示内容?Orion计划及其GNC方案Orion计划及其GNC方案自主导航定义自主导航定义指航天器不依赖地面支持，利用星上自备的测量设备实时地确定自己的位 置和速度以及在轨

2、完成飞行任务所要求的导航功能或相关的轨道确定和导航 参数解算。指航天器不依赖地面支持，利用星上自备的测量设备实时地确定自己的位 置和速度以及在轨完成飞行任务所要求的导航功能或相关的轨道确定和导航 参数解算。 典型特征：典型特征：不依赖地面测控、星上自主测量、实时运行、星上闭环控制 。不依赖地面测控、星上自主测量、实时运行、星上闭环控制 。自主导航方法分类自主导航方法分类?完全依靠星载设备，自主地完成导航任务，与外界不发生任何光、电联系完全依靠星载设备，自主地完成导航任务，与外界不发生任何光、电联系?与外界发生光、电联系，且依赖于人工信标的导航方法与外界发生光、电联系，且依赖于人工信标的导航方法

3、?与外界发生光、电联系，但不依赖于人工信标的导航方法与外界发生光、电联系，但不依赖于人工信标的导航方法一、航天器自主导航的概念和发展现状一、航天器自主导航的概念和发展现状航天器自主导航方法及其特点航天器自主导航方法及其特点类型方法特点类型方法特点与外界不发生任何光、电联系惯性导航导航误差随时间积累，主要应用于航天器机动飞行阶段的导航。图像导航精度高，主要应用于近距离相对导航。依赖于人工信标的自主导航方法天基信标导航卫星 （如GPS，GLONASS，GALILEO）精度高，技术相对成熟，易受干扰。TDRSS自主导航系统精度与卫星导航相似，费用低，仅限于授权用户使用。地基信标精度高，但导航范围有限

4、。不依赖于人工信标的自主导航方法天文导航自主性强，精度适中；技术复杂，实现难度大。地磁导航体积小，重量轻，功耗低，但导航精度较差。雷达测高导航与星敏感器组合，重量、功耗较大。航天器自主导航技术是卫星自主性的一个重要方面，是航天器实现自 主运行的基础，对航天器执行飞行任务具有重要意义，是当今航天科技与 应用优先发展的关键技术之一，也是航天器飞行控制技术发展的趋势。自主导航的发展需求：自主导航的发展需求：随着航天器测量技术、GNC技术的进展以及星上数据处理与计算功能愈来 愈强大，航天器的自主导航已从需要变为现实。?一方面一方面，随着进入太空的航天器种类和数目的急剧增加，地面站对航天 器进行跟踪、测

5、控和数据处理的负担越来越重，航天器自主导航在减轻地 面测控负担、降低卫星运行费用、提高卫星的生存能力和扩展航天器的应 用潜力等方面具有重要意义。?另一方面另一方面，载人航天器和深空探测飞行器的飞行控制，航天器在轨服务 技术的试验和未来的应用、航天器编队飞行技术的应用，更是对航天器自 主导航提出了迫切的需求。航天器自主导航的框架航天器自主导航的框架航天器自主航天器自主GNC系统任务规划与模式切换系统任务规划与模式切换航天器自主导航的发展现状：航天器自主导航的发展现状：自主导航是航天器自主运行和高级应用的使能技术。鉴于依赖地面站的 卫星导航存在很大的局限性、卫星自主导航技术在航天器飞行任务中的重要

6、 性和它的军事价值，许多军用航天器要求采用自主导航。基于星载仪器的航天器自主导航技术的发展历程基于星载仪器的航天器自主导航技术的发展历程时间自主导航系统名称测量类型开发的主要技术时间自主导航系统名称测量类型开发的主要技术1963-1964美国空军283计划姿态基准系统(三个捷联式陀螺和一个 带框架的星跟踪器)地平扫描利用惯性基准的地平扫描数据进行航天器导航，捷联式惯性测量技术1964空军标准化空间制导 系统（SSGS）地平扫描已知和未知陆标跟踪广泛的性能预测技术，利用陆标跟踪器给出的航天器与陆标之间的方向矢量的测量值，与姿态的惯性基准相结合实现自主导航时间自主导航系统名称测量类型开发的主要技术

7、时间自主导航系统名称测量类型开发的主要技术1964-1974空间精确姿态基准系统 （SPARS）捷联式狭缝型星敏感器捷联式陀螺为DMSP计划研制的样机1970自主导航技术（ANT）已知和未知陆标跟踪干涉测量系统性能改进技术，部分敏感器研制1973-1975高高度导航系统 （HANS）54种结构的组合性能预测，比较，六分仪，被动测距1976-1979高高度姿态基准系统 （HAARS）捷 联 式镶 嵌 型星敏 感器 （采用CCD）捷联式陀螺采用或不采用捷联式陀螺的三个星敏感器系统方案1977-1981空间六分仪自主导航和姿 态基准系统(SS/ ANARS)空间六分仪（SS）飞行试验单元，在轨性能1

8、979-1985多任务姿态确定和自主导 航系统（MADAN）HAARS姿态测量系统地平扫描其它导航敏感器MADAN导航系统1994麦氏自主导航系统MANS红外地球敏感器日、月敏感器高度计MANS导航系统2004图像导航与制导系统先 进 图 像 制 导 敏 感 器 （AVGS）图像导航、近距离六自由度相对位置和姿态确定 2004XNAV计划X射线敏感器X射线脉冲星导航随着航天器系统与技术发展、敏感器和测量技术的进步以及航天器自主 性和智能化程度提高，航天器自主导航技术和方法还在不断发展近期发展的 重点方向有：?紫外敏感导航、星光折射导航以及X射线脉冲星导航?航天器之间的相对导航?利用GNSS的导

9、航和卫星/惯性组合导航?视觉导航和图像/惯性组合导航到目前为至，绝大多数航天器的导航任务仍然是依靠地面测控系统完成 的，这从一个方面反映了航天器自主导航的难度。近几年来，国外相继开展了多个先进航天器技术在轨飞行演示验证计 划，对包括自主导航在内的多种技术进行了验证，其中比较典型的有：二、国外先进航天器技术演示验证计划和项目二、国外先进航天器技术演示验证计划和项目美国的航天飞机释放小卫星和空间维修美国的航天飞机释放小卫星和空间维修 “轨道快车轨道快车”（OE）计划（OE）计划 “试验性卫星系统试验性卫星系统” （XSS）演示验证飞行计划（XSS）演示验证飞行计划 “自主交会技术验证自主交会技术验

10、证”（DART）计划（DART）计划 “微小卫星技术试验微小卫星技术试验”（MiTEx）计划（MiTEx）计划 “通用轨道修正航天器通用轨道修正航天器”（SUMO）项目（SUMO）项目 “深度撞击深度撞击”（DI）计划多个深空探测计划等欧洲的ATV计划、ROKVISS、TECSAS、SMART-1演示验证计划 日本的ETS-VII计划 多国合作的Inspector系列飞行器计划、MICROS和SERVISS飞行器 瑞典PRISMA 航天器寿命延长系统（SLES、CX-OLEV、SMART（DI）计划多个深空探测计划等欧洲的ATV计划、ROKVISS、TECSAS、SMART-1演示验证计划 日

11、本的ETS-VII计划 多国合作的Inspector系列飞行器计划、MICROS和SERVISS飞行器 瑞典PRISMA 航天器寿命延长系统（SLES、CX-OLEV、SMART-OLEV）OLEV）演示验证的关键技术：演示验证的关键技术： ?自主管理与生存技术；自主管理与生存技术； ?可接受在轨服务的 航天器总体设计技术；可接受在轨服务的 航天器总体设计技术； ?空间目标捕获与测量技术；空间目标捕获与测量技术； ?自主交会对接技术；自主交会对接技术； ?精确机动技术；精确机动技术； ?在轨加注技术；在轨加注技术； ?在轨模块更换技术；在轨模块更换技术； ?遥操作技术；遥操作技术； ?空间机械

12、手技术。空间机械手技术。意义与任务：意义与任务：? 延长寿命卫星；延长寿命卫星；? 在轨维修，拯救事故卫星；在轨维修，拯救事故卫星；? 在轨检查、侦察和作战。在轨检查、侦察和作战。美国DARPA于2007年3月8日2007年7月22日成功进行了美国DARPA于2007年3月8日2007年7月22日成功进行了“轨道快车轨道快车” （OE）在轨服务技术验证。（OE）在轨服务技术验证。涉及大量、多次、复杂的轨道机动和自主GNC技术， 包括共椭圆机动、调高机动、调相机动、绕飞、末段交会、临近操作机动等。轨道快车计划（OE）：轨道快车计划（OE）：轨道快车:轨道快车:“自动化运输机器人自动化运输机器人”

13、(ASTRO）与(ASTRO）与“未来星/货仓飞行 器未来星/货仓飞行 器”（NextSat/CSC）组成。（NextSat/CSC）组成。?首次在目标非合作情形下进行全自主对地捕获与服务；首次在目标非合作情形下进行全自主对地捕获与服务； ?首次使用被动探测系统进行全自主导航与制导，在距 客户星10cm内进行接近与位置保持操作；首次使用被动探测系统进行全自主导航与制导，在距 客户星10cm内进行接近与位置保持操作； ?首次在轨使用IEEE 1394 (Firewire)标准，使得ASTRO 可以移除并更换星载机算机；首次在轨使用IEEE 1394 (Firewire)标准，使得ASTRO 可以

14、移除并更换星载机算机； ?首次在10-18cm位置保持时或在1.5m外停泊时 全自主捕获卫星；首次在10-18cm位置保持时或在1.5m外停泊时 全自主捕获卫星； ?首次全自主地使用先进机器人技术将组件从一个 航天器传送给另一个航天器；首次全自主地使用先进机器人技术将组件从一个 航天器传送给另一个航天器； ?首次使用美国技术全自主地将推进剂从一个飞行器 传送给另一个飞行器；首次使用美国技术全自主地将推进剂从一个飞行器 传送给另一个飞行器； ?首次使用具有闭环视觉伺服系统与自动故障恢复功能的 机械臂全自主地捕获自由飞行的航天器并进行组件传送。首次使用具有闭环视觉伺服系统与自动故障恢复功能的 机械

15、臂全自主地捕获自由飞行的航天器并进行组件传送。美国“XSS”演示验证计划：美国“XSS”演示验证计划：?XSS-10和XSS-11试验卫星分别于2003年1 月28日和2005年4月11日发射。?研制一种全自主控制的微小卫星，演示验 证航天器在轨检查、交会对接以及围绕目标 的近距离机动能力。? 2003年1月29日，XSS-10搭载在Delta-II火 箭上与GPS-IIR-8卫星一起发射最终入轨在 轨道高度为517km/804km，倾角39.75度 的轨道。2003年1月29日，XSS-10搭载在Delta-II火 箭上与GPS-IIR-8卫星一起发射最终入轨在 轨道高度为517km/804

16、km，倾角39.75度 的轨道。? 在轨演示过程中，XSS-10微小卫星从Delta 二级火箭分离后，在距目标（二级火箭） 约213米远处以8m/s的速度返回，并在轨演示过程中，XSS-10微小卫星从Delta 二级火箭分离后，在距目标（二级火箭） 约213米远处以8m/s的速度返回，并在距 二级火箭100米处以火箭为中心进行绕飞 ；在距 二级火箭100米处以火箭为中心进行绕飞 ；可见光相机搜索、捕获目标，并且调整 姿态，跟踪对准目标以便拍照，对目标成 像。可见光相机搜索、捕获目标，并且调整 姿态，跟踪对准目标以便拍照，对目标成 像。? 主要演示过程有：主要演示过程有：XSS-10卫星绕飞到目标 前方停靠，并进行拍照；XSS-10卫星绕飞到目标 前方停靠，并进行拍照；绕飞到目标侧向 ，在相机与目标水平飞行方向成25度夹角 进行拍照；绕飞到目标侧向 ，在相机与目标水平飞行方向成25度夹角 进行拍照；绕目标沿扇形弧段绕飞，与飞 行水平方向约60度处停靠拍照；绕目标沿扇形弧段绕飞，与飞 行水平方向约60度处停靠拍照；沿扇形弧 段绕飞返回，与水平方向约夹角35度处停 靠进行拍照。沿