شماره ركورد
34224
پديد آورنده
مهدي جليليان
عنوان
توسعه الگوريتم تعيين موقعيت وسايل فضايي با استفاده از حسگر ستاره و حسگر مكمل
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي فناوري ماهواره - سازه و مكانيك پرواز
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/9/26
استاد راهنما
دكتر مهدي نصيري سروي
استاد مشاور
/
دانشكده
فناوري هاي نوين
چكيده
اين پژوهش به توسعه الگوريتمي نوين براي تعيين موقعيت وسايل فضايي در مدارهاي نزديك زمين با بهرهگيري از فيوژن (تركيب) حسگر ستاره و حسگر مكمل افق زمين ميپردازد. حسگر ستاره، با ارائه جهتگيري دقيق نسبت به چارچوب مرجع اينرسي، اطلاعات ارزشمندي در مؤلفههاي مماسي فراهم ميآورد، اما فاقد قابليت تخمين مستقيم شعاع مداري است. در مقابل، حسگر افق زمين، با اندازهگيري زاويه بين خط ديد به افق و جهت نادير، امكان برآورد ارتفاع را فراهم ميكند، هرچند بهشدت تحت تأثير نويز، باياس و اغتشاشات جوي قرار دارد. رويكرد پيشنهادي، با تركيب هوشمندانه اين دو منبع اطلاعاتي در قالب فيلتر كالمن گسترده هفتبعدي، محدوديتهاي هر يك را جبران نموده و چارچوبي يكپارچه براي تخمين همزمان موقعيت، سرعت و باياس زاويهاي ايجاد ميكند.
مدل ديناميكي بر پايه معادلات حركت مداري با در نظر گرفتن اغتشاش J2 و نويز فرآيند شتاب تصادفي بنا شده است. اندازهگيري اصلي بهصورت برداري سهبعدي و با استفاده از جهت نادير در چارچوب اينرسي و تخمين شعاع از زاويه افق تعريف گرديد. ماتريس كواريانس اندازهگيري بهصورت بيضوي طراحي شد تا اعتماد بيشتري به مؤلفههاي مماسي (مستخرج از حسگر ستاره) و اعتماد محتاطانهتري به مؤلفه شعاعي (مستخرج از حسگر افق) اعمال شود. همچنين، اندازهگيري كمكي يكبعدي براي پايش و جبران باياس زاويهاي در نظر گرفته شد. سياستهاي پايداري شامل دوره گرمكردن، تورم كواريانس و ناحيهبندي دو مرحلهاي، از واگرايي فيلتر در شرايط اوليه و نويز شديد جلوگيري نمود.
در مرحله پسپردازش، صافكننده RTS تنها بر مؤلفههاي مماسي موقعيت اعمال گرديد تا ضمن بهرهمندي از مزاياي صافسازي، از ايجاد تأخير ناخواسته در جهت شعاعي جلوگيري شود. در نهايت، يك مدل هوشمند مبتني بر رگرسيون چندجملهاي با ويژگيهاي زاويه افق و خطاي جهتگيري نادير، خطاي شعاعي باقيمانده را شناسايي و تصحيح نمود. اين رويكرد تركيبي، دقت كلي تخمين موقعيت را بهطور چشمگيري ارتقا داد.
ارزيابي عملكرد در سناريوهاي مختلف نويز نشان داد كه روش پيشنهادي در مقايسه با رويكردهاي تكحسگري (فقط حسگر افق يا فقط حسگر ستاره) و حتي فيوژن (تركيب) ساده، از پايداري، دقت و قابليت تعميمپذيري بالاتري برخوردار است. تحليل تفكيكي خطاها نيز برتري قابلملاحظه در مؤلفههاي مماسي و بهبود مؤثر در جهت شعاعي را تأييد كرد. الگوريتم توسعهيافته در سطح آمادگي فناوري TRL 3 قرار دارد و با شبيهسازي دقيق ديناميك مداري، مدلسازي واقعي نويز حسگرها و سياستهاي پايداري هوشمند، زمينه را براي پيادهسازي عملي در سيستمهاي ناوبري ماهوارههاي كوچك و مأموريتهاي مداري با منابع محدود فراهم ميسازد. اين پژوهش گامي مؤثر در جهت خودكفايي ناوبري فضايي و كاهش وابستگي به سيستمهاي زميني بهشمار ميرود.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/09/30
عنوان به انگليسي
Developing the position determining algorithm of the space vehicles using the star sensor and the complementary sensor
تاريخ بهره برداري
12/17/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
مهدي جليليان
چكيده به لاتين
This research develops a novel algorithm for determining the position of space vehicles in near-Earth orbits by leveraging the fusion of a star sensor and a complementary Earth horizon sensor. The star sensor provides precise orientation relative to the inertial reference frame, yielding valuable information for tangential components, yet it lacks the capability for direct orbital radius estimation. In contrast, the Earth horizon sensor, by measuring the angle between the line of sight to the horizon and the nadir direction, enables altitude estimation, although it is highly susceptible to noise, bias, and atmospheric disturbances. The proposed approach intelligently integrates these two information sources within a seven-dimensional extended Kalman filter framework, thereby compensating for the limitations of each and establishing a unified structure for the simultaneous estimation of position, velocity, and angular bias.
The dynamic model is founded on orbital motion equations, incorporating J2 perturbation and random acceleration process noise. The primary measurement is defined as a three-dimensional vector utilizing the nadir direction in the inertial frame and radius estimation derived from the horizon angle. The measurement covariance matrix is designed elliptically to assign greater confidence to the tangential components (extracted from the star sensor) and a more cautious confidence to the radial component (extracted from the horizon sensor). Additionally, an auxiliary one-dimensional measurement is incorporated for monitoring and compensating angular bias. Stability policies, including a warm-up period, covariance inflation, and two-stage gating, prevent filter divergence under initial conditions and severe noise.
In the post-processing stage, the RTS smoother is applied solely to the tangential position components to capitalize on the benefits of smoothing while avoiding unintended delays in the radial direction. Ultimately, an intelligent model based on polynomial regression, incorporating features from the horizon angle and nadir orientation error, identifies and corrects the residual radial error. This hybrid approach significantly enhances the overall accuracy of position estimation.
Performance evaluation across various noise scenarios demonstrates that the proposed method exhibits superior stability, accuracy, and generalizability compared to single-sensor approaches (solely horizon sensor or solely star sensor) and even simple fusion techniques. Detailed error analysis confirms substantial superiority in tangential components and effective improvement in the radial direction. The developed algorithm achieves Technology Readiness Level (TRL) 3 and, through precise orbital dynamics simulation, realistic sensor noise modeling, and intelligent stability policies, lays the groundwork for practical implementation in small satellite navigation systems and resource-constrained orbital missions. This research represents an effective step toward achieving self-sufficiency in space navigation and reducing reliance on ground-based systems.
كليدواژه هاي فارسي
تعيين موقعيت مداري , فيوژن (تركيب) حسگر , حسگر ستاره , حسگر افق زمين , فيلتر كالمن گسترده , صافسازي RTS , تصحيح هوشمند شعاعي
كليدواژه هاي لاتين
Orbital position determination , Sensor fusion , Star sensor , Earth horizon sensor , Extended Kalman filter , RTS smoothing , Intelligent radial correction
Author
Mahdi Jalilian
SuperVisor
Dr. Mehdi Nasiri Sarvi