题目：火星进入段动力学模型与量测模型自校准滤波方法研究

火星探测已经成为世界发达国家和航天技术大国竞争的重要领域。火星着陆不同于月球着陆，月球探测器可以通过地面深空网进行实时导航与控制，而火星距离地球非常遥远，火星探测器与地面测控站存在较大的通信延迟（6分钟以上），地面深空网无法对探测器进行实时导航与控制，因此火星探测的高精度自主导航与控制方法已成为国际研究的前沿和热点问题。本论文对如何提高火星进入段自主导航精度进行了研究，系统深入研究了对自主导航精度有较大影响的动力学模型的未知输入、量测模型的偏差和系统模型的参数不确定性等关键问题，建立了自校准扩展Kalman滤波、具有UD分解的Schmidt-Kalman 滤波、具有解析增益的扩展弱敏Kalman滤波等方法，有效提高了自主导航精度。论文的研究内容主要包括：

深空探测、信号处理和故障诊断等许多工程实际中，由于未知输入（如突风、未知系统误差、故障等）的影响，传统扩展Kalman滤波（Extended Kalman filter, EKF）在滤波递推过程中会产生较大的误差。针对上述工程实际中非线性系统的未知输入问题，提出了能够估计和补偿这种未知输入的自校准扩展Kalman滤波方法。数值仿真结果表明非线性自校准扩展Kalman滤波方法很好地估计和补偿了未知输入，有效地避免了传统EKF方法出现偏差的情况，提高了滤波精度。

由于火星进入段的突风和沙尘暴等因素的影响，高速飞行的探测器在进入段动力学模型中往往带来未知输入，这些未知输入使传统EKF方法出现了较大的偏差。基于自校准扩展Kalman滤波，提出了一种火星进入段的自主导航方法，对火星进入段的探测器进行状态估计。采用美国火星科学实验室的“好奇号”探测器的模型及其真实飞行轨迹进行仿真验证，仿真结果表明自校准扩展Kalman滤波方法能够有效地消除或补偿火星进入段动力学模型的未知输入，提高火星进入段导航精度。

将无线电测距信息引入火星进入段导航方案丰富了探测器的导航信息，但是这些量测信息中包含通信偏差和导航信标的位置偏差等，再加上惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）带来的偏差，这些量测偏差会极大地降低组合导航的性能。本文分析了这些量测偏差对探测器导航状态估计的影响，并建立了带有量测偏差的火星进入段导航量测模型。提出了具有UD分解的Schmidt-Kalman 滤波，建立了一种火星进入段IMU/无线电组合导航方案下的自主导航方法。

火星探测器经过长期飞行，探测器的质量和气动参数等存在较大的不确定性，再者火星表面大气环境复杂多变，大气密度具有较大的不确定性，这使得火星进入段的自主导航面临极大的挑战。本文分析了火星进入段探测器导航动力学模型和量测模型中参数（大气密度、升阻比和弹道系数）的不确定性，并建立了探测器的不确定性动力学模型和量测模型，形成火星进入段具有不确定性的导航系统模型。通过分析模型参数的不确定性在整个导航过程中对状态估计误差的扰动，提出了一种火星进入段具有解析增益的扩展弱敏Kalman滤波自主导航方法。该方法能够降低火星进入段探测器的模型参数不确定性对探测器导航状态估计误差的影响，提高火星进入段导航的鲁棒性和精度。