临近空间高超声速飞行器天文导航系统综述

临近空间是航天与航空业务领域的结合部，具有重要的战略价值。高超声速飞行器是临近空间力量部署的重要载体，已逐渐进入应用部署阶段。临近空间高超声速飞行器的飞行环境和任务条件对导航系统提出了新的更高要求。在总结临近空间高超声速飞行器的导航技术研究进展的基础上，对天文导航技术的应用环境和条件进行了系统的分析和探讨，提出了5个重点研究方向，包括：星图采集效能、光学误差模型、视场观测机理、姿态更新速率、小型化模块化工程化等。研究结果可为临近空间高超声速飞行器天文导航系统的设计提供参考。     

高动态环境下惯导高阶姿态算法研究

为满足高超声速飞行器的高动态特性对捷联惯性导航系统的导航精度提出的更高要求,在分析高超声速飞行器高动态运动频谱特性的基础上,研究了高动态环境下的捷联惯导高阶姿态积分算法。通过高超声速飞行器运动特性仿真,对比分析了不同阶次姿态积分算法对捷联惯性导航系统精度的影响。仿真结果表明,在高动态环境下,采用高阶姿态积分算法能有效提高捷联惯导导航精度。     

面向失锁在线补偿的高超声速飞行器组合导航方法研究

根据高超声速飞行器导航的主要需求，针对高动态飞行条件下可能出现的卫星导航信号跟踪丢失等问题，本文设计了基于卫星观测值在线补偿的组合导航方法，该方法可在GPS导航接收机失锁的情况下，基于预存卫星星历外推模型和卫星信号误差模型，在线重构虚拟卫星导航观测值并补偿由信号失锁导致的组合滤波器发散情况，从而确保飞行器组合导航的精度。结合助推—滑翔高超声速飞行器航迹对该方案进行了仿真验证，结果表明，该方案能够在助推—滑翔高超声速飞行器强动态条件下确保卫星导航数据输出的连续性，在一定程度上克服了卫星导航信号丢失带来的不利影响，确保高超声速飞行器GPS/捷联惯导组合导航的基本导航定位性能。     

微观能量分析气动光学效应时变误差的方法

针对高超声速飞行器在大气层内飞行过程中采用自主天文导航时,气动光学效应导致的光学传感器成像畸变严重干扰导航精度的问题,提出一种在微观能量变化机制层面探究气动光学效应时变误差的方法。该方法基于光子传输理论分析光子与湍流分子的相互作用机制,建立光子在高速流场中的传输模型,对光子在湍流传输过程中的能量分布进行统计。通过建立微观光子体系下的气动光学效应评价函数,得到气动光学效应的时变误差描述,统一了微观能量分析与宏观几何光学之间的关系,利用光子微观方法进行数值仿真分析,并将仿真结果与风洞试验结果进行了对比,为高超声速飞行器气动光学效应的研究提供了新的研究思路。     

高超声速飞行器多目标气动优化设计

随着高超声速飞行器的发展,其外形优化受到了广泛关注。应用一种新型的改进多目标布谷鸟优化搜索算法(IMOCS),采用修正的牛顿法与面元法相结合来获得高超声速飞行器的气动性能,采用自由变形参数化方法(FFD)来进行外形的参数化,以最大化容积率和升阻比为设计目标,开展了高超声速滑翔飞行器的多目标气动外形优化设计,获得了综合容积率及升阻比性能更高的气动外形,验证了方法的有效性。最后,将IMOCS算法和当前主流的多目标优化算法NSGA-Ⅱ进行了对比,结果表明,IMOCS算法的效果明显优于NSGA-Ⅱ。     

高超飞行器内流道激波振荡问题的数值研究及试验验证

采用数值模拟和风洞试验的方法,对吸气式高超声速飞行器盲腔状态的流动特性进行了研究。采用＂双时间步＂方法进行了内外流一体化的非定常数值模拟,利用彩色纹影系统对高超声速飞行器前体流场进行显示,并采用动态压力传感器测得了飞行器内流道的壁面压力随时间的变化。结果表明：盲腔构型在高超声速飞行中会出现周期性的激波振荡现象。数值模拟所得流场变化特征、内流道壁面压力振荡周期和壁面压力变化趋势与试验结果吻合良好。     

高超声速飞行器组合导航鲁棒滤波算法

高超声速飞行器由于其飞行环境的影响,使得GPS和星敏感器的量测噪声表现出非高斯特性。针对常规基于Kalman滤波的组合导航在非高斯噪声下性能下降的问题,提出了基于鲁棒滤波的高超声速飞行器组合导航算法。方法在惯性／GPS／＆异步量测建模的基础上,通过随机去耦将量测更新转化为线性回归问题,并基于M估计获得状态量最优估计。仿真结果表明,方法对非高斯噪声具有更好的鲁棒性,有效提高了高超声速飞行器组合导航系统的性能。     

基于非线性增益的高超声速飞行器非线性控制

针对高超声速飞行器纵向模型,考虑参数摄动、未建模动态和外界干扰等各种不确定性因素的综合影响,提出了一种基于非线性增益的递归滑模动态面控制方案。该方案通过非线性增益函数调节高超声速飞行器姿态控制精度与控制增益之间的矛盾,利用神经网络逼近飞行器气动参数不确定性和未知外界干扰,进一步通过设计递归滑模动态面控制器提高系统的控制精度。仿真结果表明,所提控制方案不仅提高了飞行器的控制精度,而且对模型不确定性和外界干扰具有较强的鲁棒性。     

带有执行器约束条件的模糊自适应反步控制

针对高超声速飞行器在飞行控制过程中存在外界干扰以及考虑执行器的动态特性等问题,结合飞行器纵向模型的特点,考虑舵的动态特性,分别设计了基于动态逆的速度控制器和基于指令滤波器采用Backstepping控制方法的高度控制器。模糊自适应系统用来在线辨识飞行器模型由于气动参数的变化而引起的不确定性。运用Lyapunov理论分析闭环系统的稳定性,证明了包含跟踪误差在内的所有信号满足半全局一致稳定。最后通过仿真对控制器的控制效果进行验证,得到了较为满意的控制效果。     

面对称高超飞行器几何参数与总体性能相关性研究

气动技术是高超声速飞行器的重要支撑技术,气动布局的选择与确定是影响飞行器总体方案论证的重要因素.以一类面对称滑翔飞行器为研究对象,采用针对高超声速飞行器的快速工程算法,建立参数化外形的气动数据库,实现由气动布局要素到总体性能指标的映射,并通过数据分析方法,如相关性分析、灵敏度分析等,梳理出影响高超声速滑翔飞行器不同总体性能的关键气动外形几何参数,并进行相关性排序,研究结果可指导高超声速滑翔飞行器的布局设计及优化.     

一种实现GEO卫星自主导航的方法

针对目前关于GEO卫星自主导航方法中存在的精度低、成本高、实现复杂、可行性一般的问题,提出了一种基于多天体目标信息实现GEO卫星自主导航的方法。使用星敏感器敏感恒星信息和紫外地球敏感器敏感地球信息,建立了高精度GEO轨道动力学模型,并设计了EKF算法、UKF算法以及MCMCUPF算法进行导航解算。理论分析和仿真验证表明,提出的方法精度高、实现易,是一种切实可行,有效的卫星自主导航方法。     

恶劣天气下的仿生偏振定向方法

针对偏振光导航在恶劣天气下精度显著下降的问题,提出了一种可以在恶劣天气下基于大气偏振模式的定向算法。与现有方法相比,首次将三维块匹配与canny边缘检测结合的思想应用于修复被不同天气破坏的偏振角度图像中。具体而言,将偏振角度图像的修复分为噪声粗处理和边缘提取处理去噪两部分。在噪声粗处理阶段采用三维块匹配算法,在边缘提取处理去噪部分,利用canny边缘检测算法对偏振角度图像进行二次去噪。实验结果表明,该方法不仅能够提高晴朗天空下的定向精度,而且能够显著提升在阴天、沙尘、雾霾等恶劣天气条件下的导航定向精度,即使在偏振角图像对称∞模式被破坏的情况下,航向角精度仍可由9.4470°提高到1.6859°。     

惯性+星光折射定位组合导航技术研究

由于现有惯性器件精度水平有限,纯惯性导航误差较大,因此需要采用组合导航的方式来提高导航精度。目前,全自主组合导航方式中传统的惯性+星光定姿组合导航方法只能实现定姿,不能实现定位,无法修正加速度表测量误差引起的惯性导航误差,故在精度上可提升空间有限。为此,提出了一种惯性+星光折射定位组合导航方法,重点从星光折射定位原理、大气折射模型、非线性滤波和选星策略几个方面进行论证及分析。通过理论分析与数学仿真相结合的手段,验证了星光折射定位原理的正确性及工程可行性,可将自主导航精度提升至100m,从而为进一步提高自主导航精度提供了一种技术途径。     

大气湍流退化图像多帧盲复原

针对图像盲复原时PSF（点扩散函数）尺寸参数对复原效果影响较大,提出一种点扩散函数尺寸自适应估计算法,该算法以均方误差为代价函数,通过遍历搜索点扩散函数有限支持域,克服了点扩散函数尺寸参数选择难的问题。仿真结果表明,估计的点扩散函数尺寸接近真实尺寸,对于大气湍流变化快的情形,改进算法取得了较好的图像复原效果。     

SINS/BD紧组合导航系统故障检测算法研究与实现

由于惯性导航系统和卫星导航系统具有良好的互补性与北斗导航系统的迅速发展,惯性/卫星紧组合导航系统得到广泛应用。但卫星导航系统的时变、易受干扰等特性,极易污染整个组合导航系统。因此,研究了一种新型的惯性/北斗紧组合导航系统的故障检测算法,在传统的卡方故障检测算法基础上,利用新息动态变化特性来识别故障星,并对故障星进行隔离,从而保证整个导航系统的稳定性与精度。最后基于嵌入式PC104平台,利用Qt Creator软件开发了多线程惯性/北斗紧组合导航系统,对所研究的算法进行了可靠验证。实验结果表明,所研究的故障检测算法能够有效地检测出卫星信号故障,能及时剔除故障星,大大降低了漏检、错检的概率,提高了整个导航系统的可靠性与精度。     

基于多模态感知与融合的无人车韧性导航系统

针对野外复杂环境下的无人车自主导航需要,建立了一种基于多源融合定位、语义建图与运动规划的智能导航系统.首先,针对IMU、轮式里程计、视觉SLAM与激光雷达SLAM等测量子系统,设计了误差状态扩展卡尔曼滤波器进行融合定位.其次,基于改进的CNN语义分割网络生成环境的语义图像,与3D激光雷达点云融合,并使用最大概率更新算法构建语义3D地图.接着,在语义和几何信息投影获得可通行性代价的基础上,提出了一种语义动态窗口的局部路径规划方法.最后,将以上感知、定位与规划方法整合成完整的智能导航系统,在城市与野外典型场景的测试中,相对定位误差小于0.4％D,具备一定的韧性导航定位和智能感知规划能力.     

An algorithm for astro-inertial navigation using CCD star sensors

A self-contained suite of astro-inertial navigation system is capable of autonomous mission and is operationally reliable. The typical astronavigation system (ANS) makes use of star-trackers, which are expensive and complex. To make the system cost effective and less complex, the star-tracker is replaced by a charge coupled device (CCD)-based star sensor, rigidly mounted on a strapdown inertial measurement unit (SIMU) of the system. This electro-optical star sensor is compact and easy to use with an ANS that utilizes efficient star identification techniques. This paper designs an algorithm that estimates axes misalignment angles of strapdown inertial navigation system (SINS) that makes stars' observations utilizing a CCD star sensor. Mathematical modeling of the suggested scheme was carried out and transformations between different frames were exercised. From the image projection geometry, stars' right ascensions and declinations, relative to the body frame, were estimated. Lastly, from the known stars' position vectors in mathematical platform and reference frames, axes misalignment matrix representing SINS attitude errors can be estimated employing the derived relationship.     

星点坐标辅助的全天区三角形星图识别算法

随着当前星敏感器视场（FOV）的增大,探测能力的提高,一帧图中拍摄到的恒星更多。但是受星敏感器光谱范围的限制及空间环境干扰影响,星等测试精度一般不高于0.2 mV。为了充分发挥当前星敏感器视场和探测能力的优势,并避免星等误差的影响,提高全天区星图识别算法在线应用的适用性,提出了一种星点坐标辅助的全天区三角形星图识别算法。该方法采用"全局初步搜索识别—局部精细匹配验证—最优结果选取"的算法思想。首先,根据星敏感器探测到的极限星等范围构建导航星表,选取亮星构建角距星表,既确保了星表的完备性,又有利于充分利用星敏感器的探测能力。然后,在三角形约束条件下进行角距匹配识别,得到一个或多个导航三角形,在该识别环节提出了非线性矢量法查找星表,既提高了定位精度,又能采用单精度数据类型降低存储空间。最后,提出局部天区星点坐标匹配算法进一步消除冗余匹配,同时又识别出视场内更多的观测星,有利于提高识别率和定姿精度。试验结果表明,与其他一些经典的星图识别算法相比,所提算法在识别率和星表容量方面更有优势。识别率可达99.9%,且随着星等的增加,存储容量增加的最少。所提算法更加适于大视场、高星等敏感范围的星敏感器在线应用。