相对测量在编队卫星自主定轨中的应用

针对编队卫星自主定轨问题进行了研究,设计了一种完全不依赖于地面站和GPS系统的自主导航方案。利用星间测量信息进行卫星编队相对轨道状态的自主确定;并在利用磁强计进行卫星绝对轨道自主确定的基础上,引入星间测量信息提高绝对定轨精度;设计扩展卡尔曼滤波器进行卫星编队轨道状态估计,数学仿真结果验证了这种导航方案和算法的有效性。     

X射线脉冲星星表方位误差估计算法研究

星表方位误差是影响脉冲星导航精度的一项主要因素,也是天文研究的一项重要内容。本文提出一种基于卫星导航数据,采用卡尔曼滤波器对X射线脉冲星星表方位误差估计的方法。仿真结果表明,在不考虑其他误差因素下,该方法可以较好地估计出X射线脉冲星的星表方位误差,改善星表精度,随着人类对宇宙空间认识的加深,本文研究结果对未来基于X射线脉冲星的自主导航和天文观测研究具有一定的潜在理论参考价值。     

导航星座自主导航技术--自主星历更新

自主星历更新是导航星座自主导航的关键技术之一,包括卫星轨道精密确定和轨道短时预报两个方面的内容。本文在系统地论述导航星座自主导航的信息处理流程的基础上,重点提出星座卫星轨道精密确定的自适应Kalman滤波算法。系统仿真结果表明：通过星间双向测量数据的滤波处理,能够获得高精度的卫星星历和较小的用户测距误差（URE）,满足高精度导航定位需求,初步证明导航星座自主导航信息处理流程及其星历更新算法的合理性和可行性。     

考虑有色噪声影响的脉冲星导航2级强跟踪差分滤波器

为提高X射线脉冲星导航对有色噪声及太阳系内星历误差的鲁棒性，设计了2级强跟踪差分滤波器（TSTDKF）。首先在分析导航原理基础上，导出了中心天体星历误差对导航结果的误差传递关系，并利用扩展卡尔曼滤波器（EKF）进行了仿真验证；在同一运行轨道上，又结合引力摄动模型对第三天体引力摄动数据进行了分析，证明该部分噪声为有色噪声。根据以上结论，将普通2级卡尔曼滤波器（TKF）的无偏滤波器设计为一种改进的差分卡尔曼滤波器以降低有色噪声对导航系统的影响，同时又在其独立偏差滤波器中根据观测残差构建了多重自适应调节因子以增强其跟踪性能，两者共同构成TSTDKF的2个并行滤波器。通过仿真实验证明，TSTDKF的位置误差性能最大可比EKF和TKF改进56.49%和35.18%，速度误差性能改进27.66%和17.07%；对星历误差的跟踪效果也整体好于TKF。     

基于卫星实测数据的X射线脉冲星导航体制验证

介绍了X射线脉冲星序贯观测导航体制和脉冲星导航基本原理。提出了基于卫星实测数据的脉冲星导航基本观测量处理方法。针对中国首颗大型天文卫星“慧眼”（Insight-HXMT）的能粒子探测器载荷观测的原始观测数据，给出了导航观测量处理精度结果。同时将卫星精密定轨星历作为标称轨道，与X射线脉冲星导航定位结果进行对比，得出了Insight-HXMT卫星数据的X射线脉冲星导航精度约为10 km的结论。最后，针对实测数据导航结果讨论了本次试验的不足并给出了未来脉冲星导航试验的建议。     

捷联惯导系统/里程计自主式车载组合导航系统研究

利用里程计辅助捷联惯导系统构成一种完全自主式的车载组合导航系统.本文详细推导了里程计的速度误差方程.用捷联惯导系统解算出的速度量和里程计所测量的速度量之差作为组合导航系统卡尔曼滤波器的观测量,利用闭环卡尔曼滤波技术进行误差估计与校正,并给出了系统仿真结果.仿真结果表明该组合导航系统可有效地减小姿态、速度、经度和纬度等导航参数的误差累积.     

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。     

改进的组合导航算法在MEMS组合导航系统中的应用

针对MEMS组合导航系统的应用,提出了一种改进的组合导航算法。首先采用零速修正算法对MEMS陀螺仪逐次启动重复性无规律的常值零偏进行补偿;其次,通过分析陀螺仪误差项的构成,提出了一种将卡尔曼滤波器输出的误差估计量P与零速修正的误差量相结合的改进导航算法,引入误差量分配加权思想,实现对系统误差方差阵Q中陀螺仪误差量的在线调节。利用跑车试验数据对算法进行验证,结果表明在MEMS组合导航系统中,与经典的导航算法相比,改进算法的导航精度更高、可靠性更强,是一种能有效应用于实际中的估计方法。     

联合星间测距和测速的导航星座自主定轨研究

导航卫星通过星间观测完成定位,是提高星座生存能力的一项重要技术。在测距资料的基础上,增加测速资料进行定轨。给出了基于星间观测的定轨数学模型,证明了联合测距和测速的定轨同样存在秩亏问题,使用参数加权平差算法,顾及先验信息对星间观测资料进行平差,以Walker星座为例对算法性能进行评估。结果表明:增加测速资料后,星座位置精度略有提高,速度精度显著提高。     

基于地月三角平动点的卫星自主定轨

近年提出了利用地月系平动点建立深空导航星座的设想。在受太阳摄动的真实力模型下,地月系平动点是不稳定的,从而会导致导航星座必须通过控制才能定点在特定区域。针对此问题,引入一种特殊的平动点轨道,即动力学替代轨道。平动点轨道卫星星座可利用星间测距数据自主定轨,由于动力学替代轨道具有长期稳定性,整个自主定轨过程不需要来自地面的测控支持,且定轨精度可达到观测精度。研究结果表明,观测资料的长短、导航卫星垂直白道面的运动分量都将影响到导航星间的自主定轨精度。该研究成果可以应用在以后的地月系导航星座中。     

太阳信息辅助的脉冲相位估计方法及导航应用

X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法，脉冲相位是其基本测量量。然而，现有的在轨航天器脉冲相位估计方法计算量大，阻碍了X射线脉冲星导航的工程应用。为了减少脉冲相位估计的计算量，提出了一种基于太阳信息辅助的深空探测器脉冲相位估计方法。通过太阳信息粗略地消除航天器轨道运动的影响，并推导了对应的脉冲星相位计算公式。在此基础上，提出了一种X射线脉冲星/太阳信息深组合导航方法，并通过仿真验证了太阳信息辅助脉冲相位估计方法和组合导航方法的性能。仿真结果表明，所提出的脉冲相位估计方法在保证精度的前提下具有更小的计算量。此外，对于深空探测器，所提出的组合导航方法的位置误差相比于仅使用太阳信息导航的方法降低了70.1%。     

惯导/北斗/里程计一体化紧组合导航方法研究

当前,主要通过采用惯导/卫星导航组合或者惯导/里程计组合的方式来实现 车辆的定位定向;卫星信号良好时,惯导系统与卫星导航组合实现车辆定位定向,当卫 星导航信号不好甚至没有信号无法正常工作时,惯导系统与里程计组合实现车辆定位定 向。提出一种惯导/卫星导航/里程计三者的一体化组合方案,针对惯导、北斗、里程计 这三项测量设备构成的组合系统建立了统一的误差状态模型、组合量测模型以及反馈修 正模型,并通过卡尔曼滤波器来实现三者的一体化紧组合,这种惯导/北斗/里程计一体 化的紧组合方式,能更好地实现三者信号之间的充分交流与融合。将这种一体化紧组合 方法与传统的惯导/北斗组合、惯导/里程计组合方法进行了仿真比较,结果表明：惯导/ 北斗/里程计一体化的紧组合方法能更加快速、准确得到传感器误差（ 包含惯组误差、 北斗误差、里程计误差）的在线估计,更能有效提高各传感器的测量精度。     

基于GPS/DR/DM组合导航定位系统的研究

设计了一种基于GPS辅助以DR和DM的组合导航定位的联邦滤波器,采用GPS、DR和DM组合导航定位的设计方案的基础上,提出一种先分散式再局部集中联邦滤波器并采用一种简化的自适应联邦滤波器算法对各定位数据进行融合优化,并进行了仿真.仿真结果表明本文设计的联邦卡尔曼滤波器自适应算法对多传感器系统进行数据处理,能够提供一种最佳估计途径,在容错、数据容量及降低系统费用等方面,都比集中卡尔曼滤波器更为优越,使误差进一步减小.该设计与一般的分散卡尔曼滤波器比较,在信息综合方面更加快捷.     

基于平衡流形展开模型的航空发动机健康参数估计

为提高航空发动机健康参数实时估计的精度,结合非线性卡尔曼滤波器从底层模型方面进行改进。以航空发动机部件 级模型为基础,提取运行数据,采用线性拟合法求解系数矩阵,建立传统状态空间模型;采用BP神经网络拟合调度参数,建立设计 点处包含健康因子的平衡流形展开（EME）模型。基于EME模型分别采用扩展卡尔曼滤波器和无迹卡尔曼滤波器进行多种参数 退化模式下的数值仿真估计。仿真结果表明：得益于EME模型对非线性系统的良好近似性,各参数退化模式下的估计结果准确, 稳态误差不超过3%;与采用部件级模型作为底层模型的方案相比,该方案的估计速度提升了1个量级。验证了基于航空发动机 EME模型结合非线性卡尔曼滤波器进行健康参数估计方法的实际可行性。     

基于组合导航的月面起飞自主对准技术

针对载人登月返回任务中月面起飞过程中的自主对准问题,采用星间链路、天文观测以及惯性测量的组合方法,进行非线性状态估计(二阶分离插值滤波—DDF2算法)以获得高精度着陆器的位置,并利用获得的位置信息对惯性导航进行修正,以消除惯性导航过程中产生的积累误差。仿真结果表明,该组合导航方法能够提供高精度的自主定位,为月面起飞提供可靠性保障。     

基于三级滤波的民用飞机组合导航融合算法研究

高精度导航系统是民用飞机必备的机载航电设备。针对民用飞机导航传感器冗余配置特点,设计了一种基于三级滤波的组合导航融合算法。首先根据民用飞机传感器配置特点设计三级滤波架构,然后通过第一级卡尔曼滤波器的局部估计、第二级联邦滤波器的全局估计和第三级全局滤波器的最优全局估计,最终实现导航参数的最优全局估计。最后,通过计算机仿真证明该方法具有很好的位置、速度和姿态估计精度,能够满足民用飞机导航系统的高精度测量要求。     

基于三级滤波的民用飞机组合导航融合算法研究

高精度导航系统是民用飞机必备的机载航电设备。针对民用飞机导航传感器冗余配置特点,设计了一种基于三级滤波的组合导航融合算法。首先根据民用飞机传感器配置特点设计三级滤波架构,然后通过第一级卡尔曼滤波器的局部估计、第二级联邦滤波器的全局估计和第三级全局滤波器的最优全局估计,最终实现导航参数的最优全局估计。最后,通过计算机仿真证明该方法具有很好的位置、速度和姿态估计精度,能够满足民用飞机导航系统的高精度测量要求。     

一种鲁棒GNSS矢量跟踪环

复杂环境下导航接收机的连续可用性一直是卫星导航领域的研究重点。针对矢量跟踪环动态适应性不够和误差在通道间传播的问题,提出一种鲁棒全球导航卫星系统(GNSS)矢量跟踪环。基于各通道的伪距、伪距率和伪距加速度状态量构建扩展卡尔曼滤波器(EKF),通过灵活设置过程噪声方差阵,实现跟踪通道的耦合与解耦;采用基于极大似然估计器(MLE)的鉴别器生成码延迟和载波频率偏差观测量;利用滤波值修正并预测伪距率来控制本地数控振荡器(NCO),实现环路的闭合。仿真结果表明,本文设计的矢量跟踪环在保证环路相互辅助的基础上,避免了衰减通道误差在通道间的传播,可以对被遮挡信号保持稳定跟踪,鲁棒性优于传统矢量延迟频率锁定环。     

改进的GPS/INS组合导航选星算法

在已有的 GPS定位的选星算法的基础上,从组合系统量测矩阵出发提出了一种适用于 GPS/INS组合导航的选星算法。此算法在原有算法的基础上,考虑了卫星仰角、方位角对卡尔曼滤波器可观性的影响,避免因观测量与系统状态间关联项的减少而导致的滤波器可观性下降,从而保证滤波器性能的稳定。     

微小型飞行器惯性组合姿态确定与航路导航研究

构建了微小型飞行器(MAV)导航、制导与控制(GNC)系统。研究了微惯性导航测量单元零偏的温度建模及非正交误差的多位置标定补偿方法,提出微小型飞行器导航、制导与控制系统闭环条件下,利用导航、制导与控制回路的飞行状态特征信息的微惯性组合导航系统滤波算法,根据微小型飞行器飞行状态实时调整卡尔曼滤波器的观测噪声方差,有效提高了动态过程中姿态测量精度和微小型飞行器的飞行平稳度。完成了组合导航系统滤波算法验证飞行试验及自主姿态稳定和航路飞行试验。飞行试验表明:微小型飞行器实现了自主姿态稳定与长距离超视距航路点导航飞行,航路点导航误差小于30 m,惯性组合姿态确定与航路导航系统及算法满足微小型飞行器自主飞行对导航系统的需求。