2008-05-05'航天器自主导航原理

航天器自主导航原理及应用南京航空航天大学航天学院

冷雪飞

Tel：84896515

第一章第三章卫星导航

第五章惯性导航

第一章

航天器是为执行一定任务，在地球大气层以外的宇宙空间（太空）基本按照天体力学规律运行的各类

第一章概论——§1.1引言

1.1.1

一个刚体航天器的运动可以由它的位置、速度、姿 位置和速度描述航天器的质心运动，这属于航天器 姿态和姿态运动描述航天器绕质心的转动，属于姿

态问题

1.1.1

从运动学的观点来说，一个航天器的运动具有6个自另外3个绕质心的转动自由度表示航天器的姿态运

动。

1.1.1

航天器在轨道上运动将受到各种力和力矩的作用

动

力矩使航天器姿态产生扰动。

1.1.1

轨道确定（空间导航、航天器导航）：研究如何确定航天器

终航行目标，对航天器的质心施以控制力，以改变其运动轨

迹。

1.1.1

导航与制导系统的功能是使航天器遵循正确的航线能，一般必须完成三项工作：

9

9

9控制推力和升力的使用以达到希望的新轨道和着陆点

1.1.1

方法。

姿态确定一般采用姿态敏感器及其相应的数据处理方法得到航天器的姿态。

1.1.1 9球反照敏感器和陆标跟踪器

9994.利用无线电信标的射频敏感器

1.1.1

姿态确定的精度取决于数据处理方法和航天器敏感

1.1.1

姿态控制：根据轨道控制的要求，对航天器绕质心施加力

姿态控制：姿态稳定、姿态机动

姿态稳定：使航天器姿态保持在指定方向

姿态机动：航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。

1.1.1

航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨道控制与姿求。

由于轨道比姿态变化缓慢的原因，在某些情况或某些飞行过程中，可以把姿态控制和轨道控制分开考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求，而对航天器的姿态却有要求。

1.1.1

但是有许多敏感器，例如空间六分仪、陆标跟踪器、惯性测器，同样地也可作姿态确定系统的敏感器。

根据这些敏感器所得到的信息，设计相应软件，经过计算机进行数据处理和计算，就可以得到有关轨道和姿态的数据。

1.1.1

把舰船、飞机、导弹、航天器等航行体按预先规定的地的过程称为导航。

1.1.1

航天器导航技术是航天器控制的最基本的问题，也 航天器导航的任务：确定航天器相对于所选定的参

1.1.1

人类依赖天体、日、月、星辰作为导航的依据已有 中国最早发明指南针，这是人类第一个导航工具， 世界上第一只六分仪约在400年前出现。

1.1.1 航天器导航的定义及作用

导航系统的发展过程：

古代：指南针、天文、时钟、地形标识

80年代末全球定位导航系统问世

21世纪新型导航系统和容错组合导航系统

1.1.2

成导航任务，和外界不发生任何光、电联系

自主导航隐蔽性好，工作不受外界条件（自然、非自然）的影响。

1.1.2

依靠地面站

并在地面上进行，通过数据处理，以非实时方式进 非自主导航易受外界的影响，运行安全性差，不宜

用于军事用途的航天器。

提出用下列四个（1）自给或者独立（2）实时

（3）无发射（4）不依靠地面站

1.1.2

导航系统必须随时测出航行体的及时参数，如姿态 能测得这些导航参数的物理原理和技术有很多，因统。

1.1.3

）测量对天体能敏感的角度来确定航天器的位置

（3）测量地面目标基准来确定航天器的位置

1.1.3

天文导航：通过测量恒星和行星的位置来实现

不仅能确定轨道位置，同时也能提供三轴姿态信息。

1.1.3

测量航天器到四个或更多已知点的伪距、伪距变化率、距离通过载波相位测量来确定航天器的姿态信息。

已知信标通常为卫星，也称为卫星导航

GPS（Global Positioning System，全球定位系统）、GLONASS（Global Navigation Satellite System，全球导航

卫星系统）

1.1.3

优点：全球和全天候、高精度、实时三维的测定位 不是完全自主：测量航天器与导航卫星的伪距等观

1.1.3

依靠地面陆标来测量，而这些陆标从空间是可以被

图形匹配导航

特别适用于图像处理的低轨道资源卫星，测量方式有光学、红外等。

1.1.3

主要由惯性测量装置（陀螺和加速度计）、计算机

由陀螺和加速度计测量航天器相对于惯性空间的角速度和线加速度，通过计算机进行导航解算，从而获得航天器相对某一基准的导航参数。

1.1.3

惯性导航系统具有抗干扰、抗辐射性（如电磁波和点，自主性很强，适用范围广。

有累积误差，由于陀螺总存在漂移，难于满足长寿命航天器的导航任务。

1.1.3

当航天器在自由飞行时，惯性导航对加速度计灵敏

以上的灵敏度，还要求准确的重力场数据。

因此惯性导航适用于航天器主动段。

1.1.3

年代开始在航天活动中进波罗飞船登月、前苏联的飞船和空间站的交会对接

1.1.3 （2）空间六分仪

（4）利用陆标跟踪器的低轨道导航系统