捷联惯导与星跟踪器组合导航算法研究

捷联惯导与小视场星跟踪器构成惯性/天文组合导航系统,核心思想是利用星体跟踪器的高精度测角信息设计滤波修正算法对捷联惯导的导航姿态、方位和位置误差进行滤波估计并修正,以限制捷联惯导系统导航误差随时间的发散,最终提高系统长航时导航的导航精度。在分析小视场星体跟踪器量测量与SINS导航误差之间关系的基础上,设计了两种不同的组合导航算法：位置+方位修正算法和误差角组合导航修正算法。在此基础上对两种算法的导航精度进行了理论分析,并通过长航时仿真飞行数据进行了仿真验证。结果表明：位置+方位修正算法不受载体的位置误差的影响,更适用于星体跟踪器间断工作的情况;误差角组合算法不受载体姿态误差的影响,更适用于SINS初始位置误差得到有效修正的情况。     

一种双星定姿方法的误差分析

对一种双星定姿方法的误差进行了理论分析。该定姿方法用一个星敏 感器先后观测两颗导航星,并且对每颗导航星进行多次观测,以提高定姿精度。 本文对平台失调角估计误差的统计特性进行了分析,推导出了平台失调角估计 误差方差的表达式,给出了平台失调角估计误差与两颗导航星星矢量夹角β以 及观星次数N之间的关系,该结论对于工程实践中对β和N的选择具有指导意 义。     

长航时环境下高精度组合导航方法研究与仿真

研究了一种利用捷联惯导、星敏感器和北斗接收机进行长航时高精度组合导航的方法.对捷联惯导系统误差、星敏感器安装误差、北斗定位误差分别进行建模,将星敏感器输出的载体姿态角、北斗接收机输出的载体位置与捷联惯导输出的对应参数分别相减作为量测,推导获得组合导航量测方程.针对长航时环境下可能面临量测噪声统计特性的不确定问题,采用简化的Sage-Husa自适应滤波算法进行组合导航滤波设计.仿真结果表明,该组合导航方法的定位精度达到±11.86m,定姿精度达到±0.27′,并且对量测噪声统计特性的突变具有较强的鲁棒性.     

一种深空天文测角导航中的星历误差抑制方法

以火星探测器为例，提出一种以星光角距/时间差分星光角距作为量测量的星历误差抑制方法，分析了火卫一星历误差对导航精度的影响，建立了火卫一时间差分星光角距的量测模型。通过将火星星光角距和火卫一星光角距相结合，发挥了两种量测的优势，实现了对火卫一星历误差的抑制。仿真结果表明，基于星光角距/时间差分星光角距天文导航方法的位置误差是传统基于星光角距天文导航方法的64%，是基于时间差分星光角距导航方法的58%。此外，还分析了导航恒星个数、火星敏感器精度、火卫一敏感器精度、星历误差大小和滤波周期对导航性能的影响。     

一种新的无人机运动目标测速技术

为了满足无人机对运动目标的测速需求,提出一种基于机载光电侦察平台的目标测速算法。建立包括飞机速度、飞机姿态角速率、摄像机指向角速率等15个变量的测速数学模型,并分析测速误差的形成,推导了误差计算公式。仿真结果表明,在无人机目标测速过程中,角速率测量误差对目标测速精度影响较大,尤其是飞机的俯仰角速率误差、横滚角速率误差、摄像机的高低角速率误差对测速精度的影响更为明显,这为提高目标测速精度指明了方向。     

一种利用地球敏感器的星光导航方法

针对直接敏感地平的红外地平仪-星光导航系统精度低的问题,提出通过建立扁率误差补偿函数,研究扁率引起的姿态角测量误差;建立地心矢量的姿态角误差模型,通过修正地球扁率误差来补偿姿态角,对卫星施加姿态偏转指令调整地心矢量偏移。同时基于SODERN地球红外辐射模型,考虑红外辐射强度随纬度和季节的变化建立真实红外辐射曲线,通过滤波算法获得精确的地球切线边缘的量测信息,提高红外地平仪测量精度。仿真结果表明,该方法有效提高了基于红外地平仪的星光导航定位方法的可靠性和精度,导航位置误差能达到500m左右,较原有系统提高3倍以上。     

偏振光/地磁/GPS/SINS组合导航方法

为了提高微小型飞行器导航系统姿态测量性能，提出偏振光／地磁／GPS，SINS组合导航方法。推导了三维空间中应用偏振光／地磁辅助测姿原理，并证明了系统具有完全能观性，指出了观测结构具有退化现象和退化条件。采用联邦卡尔曼滤波方法实现了组合导航算法，利用Madab仿真方式对单独使用偏振光和同时使用偏振光／地磁辅助的组合导航系统的测姿修正效果和能观度改善效果进行了检验和比较。结果表明偏振光／地磁／GPS／STNS组合对测姿的修正能力优于单独使用偏振光辅助的情况。由此可以得出该方法能够改善导航系统能观性和精度的结论。     

基于模糊卡尔曼滤波的内阻尼姿态算法研究

在系统机动性不强的情况下，传统的平台内阻尼算法将系统本身的速度信息通过阻尼网络加到系统中，达到提高姿态角精度的目的。将这种平台内阻尼的思想引入到捷联惯性航姿系统中，在系统加速度较小的情况下，利用加速度计的输出估计系统姿态角，通过卡尔曼滤波的形式补偿系统姿态误差。由于加速度的大小直接影响滤波器精度，本文设计了模糊自适应卡尔曼滤波算法，根据三轴加速度计的输出调整内阻尼量测误差方差阵，从而避免了滤波器的发散。仿真和实验验证，内阻尼算法可明显抑制舒勒周期振荡和傅科周期振荡，避免了系统姿态漂移，有效提高了捷联惯性航姿系统的精度。     

发射惯性坐标系下误差角与数学平台失准角的推导与仿真

基于状态空间法的捷联惯性/天文组合导航系统(SINS/CNS)需要数学平台失准角作为观测值参与滤波估计,工程实际只能得到SINS、CNS二者的姿态误差角.以弹道导弹为背景,在发射惯性坐标系下分别推导了四元数和欧拉角形式的姿态误差角与数学平台失准角之间的相互转换矩阵.建立了弹道导弹SINS/CNS数学模型,并采用EKF和UKF算法验证了该转换矩阵.仿真结果表明误差转换矩阵的正确性.     

耦合位置误差的机载惯性/星光组合算法研究

针对星敏测量输出的是惯性系下姿态信息,无法直接应用于实际的机载地理系下姿态组合导航,提出了地理系下耦合位置误差的机载惯性/星光组合滤波算法。该算法分析了
惯性姿态到地理系姿态之间的相互转换关系,在建立的地理系下姿态线性化量测方程基础上,通过引入导航位置误差转换矩阵,建立了星敏测量的惯性姿态到惯性导航计算输出的地理系姿态之间的耦合误差模型;同时针对姿态观测时高度通道不可观的特点,增加了气压高度输出为系统的观测量;实现了基于星敏测量的惯性系下姿态对地理系下惯性导航误差的直接修正。姿态耦合误差仿真结果表明该组合导航算法设计成功可行,为星敏在机载环境下的组合导航应用提供了新的思路。
     

航天飞机上升与轨道过渡段制导-导航控制

本文分析了航天飞机上升与轨道过渡飞行阶段的制导-导航控制装置及其分系统,并介绍了冗余系统数据选取办法。描述了四框架惯性平台框架配置与运载火箭姿态角的关系、工具误差模型与其修正方框图。最后,介绍了航天飞机制导-导航控制系统的可靠性设计。     

液体火箭发动机喷管内加质流场的数值模拟

本文对将液体火箭发动机涡轮排气引入喷管所形成的加质流场进行数值模拟，求解多种气体混合流动的三维Ｎ－Ｓ方程，预示了加质发动机的性质，结果表明：将涡轮排气引入喷管不仅可以用于壁面的冷却，而且还有利于发动机性能的提高。     

地球扁率引起红外地平仪姿态量测误差的数学模型

本文讨论了地球扁率引起红外地平仪的姿态量测误差的数学模型，导出解析形式姿态误差计算公式，可在任意轨道根数和扫描轴安装角情况下用于误差补偿。算例表明，利用本文导出的解析公式与利用数值方法的计算结果完全一致。     

柔性航天器高精度隔振与定向研究

随着大型航天器柔性越来越大,结构越加复杂,导致低频柔性模态密集,但同时需要极高的定向精度及姿态稳定度, 这就对航天器姿态控制系统提出了更高的要求。本文采用拉格朗日法建立了柔性航天器姿态轨道耦合动力学模型,并设计了大角度机动航天器的姿态控制器。Lyapunov定理给出闭环系统的稳定性,在0.03Nm均方根的白噪声扰动下,大角度机动姿态角误差小于0.02°,均方根误差0.003°, 为了抑制姿态抖振,设计了复合控制器,采用Stewart平台对敏感载荷局部高精度主动隔振和定向,局部控制后敏感载荷的定向误差小于0.0001°,均方根误差0.000036°。鲁棒 Η ∞ 控制器对Stewart平台主动镇定时,姿态抖振小于0.000002°,均方根误差小于 0.0000008° ,姿态稳定度优于0.00001°/s。     

一种空间推扫型光学成像系统几何映射方法

卫星光学遥感器在轨成像会受到颤振的影响,因此图像品质受姿态稳定度的影响很大,而高分辨率图像受到平台误差的影响更加明显。通过研究空间相机的几何模型,提出了一种从地球坐标系到空间光学遥感器坐标系之间的转换关系;分析了在轨卫星的姿态误差和运动源,并在几何模型中加入了内外方位元素特征;然后进行了空间TDICCD相机的成像仿真实验。为了在像面上模拟颤振,分别进行不同模态的颤振仿真,并且对视线范围内多模态综合作用进行仿真。仿真实验是基于三个轴系方向的,并且计算了TDICCD仿真图像的几何畸变量,模型中几何畸变量的测量尺度达到亚像素级,结果有利于指导卫星平台和遥感器的参数设计。     

一种新的基于姿态四元数匹配的传递对准方法

设计了一种新的姿态四元数匹配传递对准方法,并以载机姿态四元数与弹体姿态四元数的四元数乘积作为量测量,推导了姿态四元数匹配量测方程。通过理论分析,得出了载机平台失准角、弹体平台失准角、弹体安装误差角和机翼颤振变形角为小量的情况下,这些量与量测量之间的关系。推导了传统的姿态角匹配传递对准方法量测方程,与之相比,姿态四元数匹配量测方法明显降低了计算量,并分别对两种姿态匹配方法进行了仿真,仿真结果表明：新的姿态四元数匹配方法与传统姿态匹配传递对准方法具有相同的精度。     

陀螺经纬仪在大型航天产品精测中的应用

陀螺经纬仪通常是做某一方向与当地大地北向的方位角关系测量用。文章针对“天宫一号”目标飞行器精测中遇到的问题,即高空不同平台间两台设备需要姿态关系测量的需求,通过对陀螺经纬仪测量原理的研究,借助大地坐标系作为中间传递坐标系,解决了经纬仪测量因互瞄被遮挡无法建立基准镜坐标系间关系的问题。测量误差分析结果验证了这种新方法的可行性,该方法可用于大型航天产品设备安装精度的测量。     

运载火箭全捷联惯性/星光复合制导研究

全捷联惯性/星光复合制导是运载火箭空间快速响应发射的重要途径.针对捷联惯性制导系统中初始定位定向误差、初始调平对准误差及惯性器件漂移等3类主要误差因素,建立了运载火箭的数字平台基准偏差模型和导航误差模型,并提出了一种双星修正策略方案.数值仿真分析了各误差因素对捷联惯性导航精度的影响,并进一步验证了该复合制导方案的可行性...     

战术导弹防御中的拦截交会角约束研究

由于拦截器侧向发动机纠偏能力的限制及TBM的初始位置误差的影响,拦截交会角需要满足一定的范围才能命中目标.本文研究了战术导弹防御的拦截交会角约束问题,提出了一种运动学几何分析方法,推导了TBM的初始位置误差引起的横向偏差与拦截交会角的解析关系,分析了拦截交会角对末制导段纠偏的影响,确定了可命中目标允许的拦截交会角范围.通过仿真计算和分析,论证了该方法的有效性.