基于重力梯度匹配的航天器姿轨一体化导航研究

As the second-order spatial derivative of the gravitational potential, the gravity gradient tensor varies with position and attitude simultaneously. Based on this principle, integrated orbit and attitude determination can be achieved by matching gravity gradient measurements from a high-precision spaceborne gravity gradiometer with a reference gravity gradient map. During the past two decades, the accuracy of the Earth’s gravity model and the precision of gravity gradiometers have been greatly improved. The applicant has investigated the problem of orbit determination from gravity gradients during the doctoral studies, and an orbit determination accuracy of about 100 meters was achieved using real flight data. This project further proposes a spacecraft integrated orbit/attitude determination scheme based on gravity gradient matching. The linear acceleration and angular acceleration information output by the gravity gradiometer is used to construct the dual quaternion-based inertial navigation equation, and the gravity gradient/angular velocity coupled observation enables an integrated estimation of the orbit, attitude, and instrument error parameters. A hybrid nonlinear filtering algorithm based on linear propagation and unscented transform is proposed to deal with the mixed nonlinearities in the system. Finally, the navigation performance is verified by simulation and actual measurement data. The research of this project will provide a new approach for future autonomous navigation of high agile spacecraft and deep space probes near planetary bodies.

重力梯度作为引力势的二阶导数，同时是位置和姿态的函数。利用此原理，可以在航天器上搭载高精度的重力梯度仪，与参考重力场模型进行匹配，实现姿轨一体化导航。近二十年来，地球重力场的模型精度和重力梯度仪的测量精度均有了很大提升。申请人在攻读博士学位期间研究了基于重力梯度匹配的航天器轨道确定问题，利用国外卫星重力梯度实测数据实现了百米的定轨精度。本项目进一步提出基于重力梯度匹配的航天器姿轨一体化导航方案，利用重力梯度仪输出的线加速度和角加速度信息构建对偶四元数姿轨一体化惯性导航方程，利用重力梯度仪输出的重力梯度/角速度耦合观测信息实现对轨道、姿态和仪器误差参数的一体化估计。针对系统中的混合尺度非线性问题，研究基于线性传递和无迹变换的混合非线性滤波算法。最后，利用仿真和实测数据对导航性能进行验证。本项目的研究将为未来高敏捷机动航天器和行星附近深空探测器自主导航提供新的技术途径。

近二十年来，地球重力场的模型精度和重力梯度仪的测量精度均有了很大提升。重力梯度作为引力势的二阶导数，同时是位置和姿态的函数，利用此原理，可以在航天器上搭载高精度的重力梯度仪，与参考重力场模型进行匹配，实现姿轨一体化导航。基于重力梯度匹配的航天器姿轨一体化自主导航作为一种被动无源的导航方式，可以有效提高在轨航天器的自主性和抗干扰能力。本项目针对航天器重力梯度匹配姿轨一体化导航中的姿轨多源耦合问题和混合尺度非线性估计问题，开展了角加速度输入型姿轨一体化动力学模型构建、重力梯度/角速度多因子匹配及误差分析、混合尺度非线性滤波算法设计和姿轨一体化导航仿真与实测数据验证等研究。项目提出了姿轨一体化“独立-耦合”及对偶四元数模型，构建了姿轨一体化线性摄动模型与误差方程，提出了适用于角加速度输入性惯导的混合步长积分算法；构建了重力梯度/角速度匹配导航观测方程，并验证了可观测性，进行了误差源分析；提出了考虑偏度信息的无迹卡尔曼滤波算法，提高了状态估计精度；提出了部分采样无迹卡尔曼滤波算法，提高了对混合线性/非线性模型的滤波效率，分别基于典型算例和重力梯度匹配导航场景验证了算法相比于传统方法的优势。通过航天器姿态确定仿真、姿轨一体化导航仿真、月球接近段仿真及GOCE的实测数据，验证了基于重力梯度匹配的航天器姿轨一体化自主导航的可行性，并进一步分析了重力梯度仪噪声、测量数据采样间隔、轨道类型和姿态运动模式等因素对导航精度的影响。本项目的研究将为未来高敏捷机动航天器和行星附近深空探测器自主导航提供新的技术途径。