航天器轨道确定与自主导航  082500M02014H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科普及课 | 任课教师:舒磊正
授课时间: 星期四,第6、7、8 节
授课地点: 教二楼113
授课周次: 2、3、4、5、6、7、8、9、11、13、14、16
授课时间: 星期四,第6、7、8 节
授课地点: 教二楼113
授课周次: 10
课程编号: 082500M02014H 课时: 38 学分: 2.00
课程属性: 一级学科普及课 主讲教师:舒磊正 助教:
英文名称: Spacecraft Orbit Determination and Autonomous Navigation 召集人:

教学目的、要求

本课程为航空宇航学科研究生的专业核心课。内容涵盖航天器轨道动力学、轨道数值积分方法、卡尔曼滤波方法、航天器轨道确定、航天器自主导航与相对导航等方面。目的是帮助从事空间技术、空间应用、航天工程等学科专业学习的研究生了解并系统掌握航天飞行器轨道确定与自主导航技术,掌握数值积分方法与非线性估计方法,掌握包括GNSS导航、脉冲星导航、光学导航以及多传感器组合导航的基本原理和应用方法,为未来从事专业研究奠定基础。

预修课程

高等数学、矩阵原理、数值分析

教 材

Oliver Montenbruck, Eberhard Grill (2001), Satellite Orbits, Models, Methods, and Applications, Second Edition, Springer Press.

主要内容

第一章绪论、航天轨道动力学基础 (6学时) 
第1讲:时间系统、坐标系统(2课时)
教学重点:时间系统的定义及转换、常用的参考坐标系的定义及转换、导航天体的星历计算等;
教学难点:各种时间、坐标系统之间的转换。
第2,3讲:空间飞行基本原理(4课时)
教学重点:二体问题、轨道根数、轨道动力学方程表达形式、轨道力学模型、摄动力建模与影响分析、相对轨道动力学模型;
教学难点:理解轨道动力学基本原理、力学模型的选择。
第二章轨道数值积分方法 (2学时) 
第4讲:数值积分方法(2学时)
教学重点:Runge-Kutta积分方法、多步法(Adams-Bashforth、Adams-Moulton、Cowell等积分方法)、外插法;
教学难点:各种数值积分方法的对比与应用。
第三章估计理论与滤波方法 (6学时) 
第5讲:最优估计理论与方法(2学时)
教学重点:最小二乘估计理论及误差传播理论、最小方差估计理论、递推估计理论、卡尔曼滤波方法的基本原理、算法与实现、扩展卡尔曼滤波;
教学难点:卡尔曼滤波和平滑、扩展卡尔曼滤波、卡尔曼滤波的应用。
第6讲:现代滤波方法(2学时)
教学重点:无迹卡尔曼滤波、自适应卡尔曼滤波、粒子滤波、集中式滤波与分布式滤波;
教学难点:掌握自适应卡尔曼滤波、分布式滤波的方法。
第7讲:系统可观性分析理论与方法(2学时)
教学重点:线性系统的可观性、非线性系统的可观性、自主导航系统的可观性、蒙特卡洛方法、协方差分析技术;
教学难点:系统可观性分析的定义及判据。
第四章基于地面测量的航天器轨道确定 (2学时) 
第8讲:地基测量的航天器定轨方法(2学时)
教学重点:地面测距定轨原理、(测角、测距和多普勒等)观测模型、动力学扩展卡尔曼滤波方法;
教学难点:地面测距定轨的基本原理与方法。
第五章基于GNSS观测的航天器导航及其科学应用 (10学时) 
第9讲:全球卫星导航系统介绍(2学时)
教学重点:GNSS导航原理、伪距和载波相位观测模型、GNSS观测的误差模型;
教学难点:GNSS观测模型与误差模型。
第10、11讲:基于GNSS观测的航天器精密定轨技术(4学时)
教学重点:运动学批处理方法、动力学批处理方法、动力学扩展卡尔曼滤波方法、实时动力学定轨与轨道预报;
教学难点:GNSS定轨原理与数据处理方法。
第12、13讲:基于GNSS观测的航天器相对导航 (4学时) 
教学重点:GNSS相对导航原理、差分观测模型、 整周模糊度固定技术、多天线多系统相对导航;
教学难点:差分GNSS相对导航原理与应用。
第六章基于X射线脉冲星观测的航天器定轨 (2学时) 
第14讲:脉冲星自主导航技术(2学时)
教学重点:脉冲星简介、脉冲星计时模型、脉冲星导航的基本原理、脉冲星自主导航的关键技术、导航算法(几何定轨算法及动力学定轨算法);
教学难点:脉冲星观测数据的建模和处理,自主导航算法等。
第七章基于多传感器融合的航天器自主导航 (6学时) 
第15讲:惯性自主导航技术(2学时)
教学重点:惯性导航测量方程、捷联式惯性导航的初始对准、捷联式惯性导航的误差模型、圆锥及划桨效应补偿;
教学难点:惯性导航的误差模型、力学方程的编排及仿真应用等。
第16讲:光学自主导航技术(2学时)
教学重点:光学自主导航原理、光学自主导航测量方程、导航滤波算法(批处理滤波算法及卡尔曼滤波算法);
教学难点:光学自主导航的滤波算法、先进的算法框架等。
第17讲:多源信息融合自主导航技术(2学时)
教学重点:联邦滤波理论与方法、惯导+光学+测距/测速等多传感器组合导航的滤波器设计与实现、可观性分析、仿真分析、多信息融合自主导航技术的发展展望等;
教学难点:多源融合自主导航滤波及误差校正方法。
第八章其他先进自主导航概念及未来发展趋势 (2学时) 
第18讲:总结与发展展望(2学时)
教学重点:地磁导航、重力场导航、适用于深空探测的航天器自主导航新概念;
教学难点:课程总结以及航天器自主导航技术的发展展望。
第九章开卷考试 (2学时) 

参考文献

(1)Paul D.Groves (2013), Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems, Second Edition, Artech House Press.
(2)Emadzadeh, A. A. and Speyer, J.L. (2011),?Navigation in Space by X-ray Pulsars. Springer New York.
(3)王大轶(2018),航天器多源信息融合自主导航技术.北京理工大学出版社.