滚转和锥进运动对弹箭动导数求解的影响

现有的弹箭动稳定性导数计算通常忽略了耦合运动效应的影响,而弹箭在实际飞行中,通常同时存在俯仰、滚转以及锥进运动。为此,本文提出了基于欧拉转动定理和滑移网格技术的复杂角运动模拟方法,该方法利用著名的罗德里格斯转换矩阵插值求得弹箭在每个时间步的角速度修正值,并指定给球形滑移网格区,从而模拟弹箭俯仰滚转锥进相耦合的三自由度耦合角运动,在此基础上,通过对非定常气动参数进行求解辨识,分析了滚转频率和锥进频率对其俯仰组合动导数和升力系数动导数的影响规律。结果表明:本文提出的复杂角运动模拟方法,可有效消除姿态角计算的累积误差,实现对弹箭任意给定角运动的准确模拟;在耦合角运动状态下,弹箭气动力系数迟滞环发生明显的振荡和偏移,俯仰组合动导数和升力系数动导数均随滚转频率和锥进频率增加而显著变化,且变化规律具有非线性特性。     

激光驾束制导导弹抗侧风作用控制方法

针对激光驾束制导导弹抗侧风干扰问题,基于减载控制思想,提出了一种通过控制气流侧滑角的大小来实现姿态修正的方案。在不增加弹上设备的前提下,由惯组信息估计得到实时气流侧滑角,进而将其反馈到控制回路,通过调节修正系数来抵抗侧风造成的导弹横向过载。六自由度仿真结果表明,在24 m/s的侧风干扰下,不加侧风修正方案的导弹会脱离激光波束,而改进方法的制导线偏差则快速收敛,脱靶量小于0.1 m,证明了该方法的有效性。     

双轴旋转式激光捷联惯导系统的转位方案研究

惯性导航系统的误差随时间累积,旋转调制技术可以有效地提高惯导系统的长航时精度,旋转调制方案是决定旋转式捷联惯导系统导航精度的一个重要因素.针对双轴旋转惯导系统,相较于16次序转位方案,提出了一种新的32次序双轴旋转调制方案.根据捷联惯导系统的误差方程,推导出旋转捷联惯导的误差方程,分析了误差补偿的机理,研究了惯性器件常值偏置误差、标度因数误差和安装角误差的传播特性.仿真结果表明,32次序双轴旋转调制方案相对于16次序转位方案有明显的优势,可以有效地降低姿态角误差和经纬度误差.     

弹载大视场星惯组合深度融合导航技术

为了降低弹载星惯组合（Stellar-INS）飞行中段对调姿观星的要求，提高星惯组合姿态精度，提出了大视场（LFOV）星惯组合深度融合导航方法。小视场（NFOV）星敏感器输出星矢量为主，大视场星敏感器可同时输出姿态和星矢量信息，分别推导了基于星敏感器输出姿态和星矢量信息的观测方程，分析了星矢量和姿态观测方法之间的关联性。建立了包含星惯安装误差、陀螺误差以及初始平台误差角的星惯组合全误差项模型，基于线性卡尔曼滤波给出了深度融合导航方法。开展了数学仿真验证，分析了不同调姿观星路径约束下，大/小视场星惯组合性能差异。结果表明，大视场星惯组合深度融合导航方法不仅可以降低调姿观星约束要求，还可以实现组合姿态性能提升。     

捷联惯导系统的一种系统级标定方法

针对三轴转台定位精度高的特点,设计了一种基于速度误差和姿态误差角作为观测量的系统级标定方法.在捷联惯性测量组合(SIMU)的导航误差方程和惯性器件误差参数模型的基础上,推导了导航速度误差和姿态误差角与IMU的误差参数所呈现的关系,依此给出了最简单的位置编排准则.通过观测不同位置下捷联惯导系统的速度误差变化率和姿态误差角,辨识IMU的误差模型系数,进而达到高精度捷联惯导系统标定目的.     

基于稀疏光流的无人机自主导航方案

提出了在无已知地面合作目标的情况下,给出高精度导航信息的基于稀疏光流的无人机(UAV)自主导航方案。通过计算两帧图像间的稀疏光流场,融合捷联惯导系统(INS)/电子罗盘/高度表系统/激光测距仪等传感器测量数据,构造两个H∞滤波器,分别对高度、姿态角与水平面上的速度误差进行估计。本导航方案适用于诸如无人机低空飞行阶段、进近阶段等不宜布置人工或已知地面合作目标的场合。使用自主开发的"无人机自主着陆实时仿真验证平台"对该方案进行仿真,结果显示本方案能够有效地抑制惯导系统由于漂移而造成的位置估计误差,同时可以给出精确的高度、速度与姿态角估计值。     

卫星拒止情况下低精度惯导系统航姿算法研究

在卫星拒止情况下,低精度MEMS惯导系统由于惯性器件性能较差,无法长时间保持姿态精度。从重力矢量及飞行器的动力学特性出发,提出了一种基于动态检测和Kalman数据融合的航姿算法。该算法从导航与飞控一体化的理念出发,实时判断飞行器机动和飞控状态,在低动态时利用Kalman滤波器对水平加速度和惯性解算的姿态角进行数据融合,估计和修正水平姿态误差,从而提高水平姿态精度。经过飞行仿真验证,该算法可有效完成飞行器的动态检测,并保证在系统机动情况下水平姿态误差在2°以内。     

一种适用于MEMS惯组的低维传递对准方法

为适应惯导系统低成本、轻量化的发展方向,使用MEMS惯组作为敏感器逐渐成为惯导系统采用的主要方案.但是,该方案存在MEMS惯组内陀螺和加速度计常漂大、重复性差、安装误差难以标定的问题,需要使用高精度惯导作为基准对上述误差进行估计.通过构建导航速度、姿态阵的误差模型,使用Kalman滤波算法对误差参数进行估计,实现了对陀螺、加速度计常漂以及安装误差的快速、准确估计.通过仿真及跑车试验验证,该方法收敛速度在10s以内,经该方法估计并补偿后的导航精度能够提升60％.     

空射制导武器捷联惯导系统传递对准技术研究

研究了基于"速度+方位角"匹配的弹载捷联惯导系统的传递对准问题。首先介绍了方位角测量偏置产生的原因,以及与方位失准角的关系。推导了主、子惯导方位失准角的计算方法,并对方位失准角估计进行了仿真试验。在此基础上分析建立了传递对准卡尔曼滤波方程,并对弹载捷联惯导系统的传递对准进行了仿真。仿真结果表明,该"速度+方位角"匹配的捷联惯导系统精度控制在0.05°内,能够满足空射制导武器初始对准精度的要求。     

基于可观测性分析的旋转式惯导系统在线自标定方法的设计

本文建立了速度误差外观测量的静基座双轴旋转式惯导系统在线标定卡尔曼滤波模型,其状态向量包括地速误差、姿态失准角和惯性器件零偏、标度因数误差、安装误差,可估计旋转式惯导系统失准角与惯性器件误差参数。通过分段线性定常系统(PWCS)可观测性分析方法分析不同旋转方式下系统可观测性变化情况,得出双轴连续旋转的角运动方案可以改善卡尔曼滤波滤波的可观测性。根据基于奇异值分解的可观测度分析结果进行模型降阶,同时结合旋转式惯导系统的工程应用特性,得到12阶卡尔曼滤波参数模型。降阶系统阶数降低约55%,可以显著降低运算量,有效提高了导航计算机运算效率和实时性。仿真实验表明：降阶模型的估计精度不低于原模型,而且部分状态量的滤波收敛速度有提高。     

空空导弹大角度姿态反作用喷气控制

为研究具有大离轴角及越肩发射能力的先进空空导弹初始段敏捷转弯方法,研究了装有反作用喷气控制系统的空空导弹的大角度姿态过失速机动控制律。反作用喷气控制系统用来提供大角度敏捷转弯时大攻角飞行的控制力矩。利用时间尺度分离的方法将导弹的姿态动力学和运动学系统分别看作快子系统和慢子系统。用李亚普诺夫方法设计了慢子系统控制律,利用滑动模态方法设计了快子系统控制律,在该控制律作用下,导弹闭环系统不仅是稳定的而且其动态品质也可以得到保证。分析了控制系统的鲁棒性,结果表明所提控制方法能够有效消除空空导弹大角度姿态机动时转动惯量变化以及各种力矩干扰的影响。最后给出了一个实例来说明姿态控制在空空导弹敏捷转弯中的应用。     

Adaptive control for attitude coordination of leader-following rigid spacecraft systems with inertia parameter uncertainties

This paper studies the leader-following attitude coordination problems of multiple spacecraft in the presence of inertia parameter uncertainties. To achieve attitude coordination in the situation that even the leader's attitude is only applicable to a part of the following spacecraft, a nonlinear attitude observer is proposed to obtain an accurate estimation of the leader's attitude and angular velocity for all the followers. In addition, a distributed control scheme based on noncertainty equivalence principle is presented for multiple spacecraft' attitude synchronization. With a dynamic scaling, attitude consensus can be achieved asymptotically without any information of the bounds of the uncertain inertia parameters. Furthermore, once the estimations of inertia parameters reach their ideal values, the estimation process will stop and the ideal value of inertia parameter will be held. This is a special advantage of parameter estimation method based on non-certainty equivalence. Numerical simulations are presented to demonstrate that the proposed non-certainty equivalence-based method requires smaller control toque and converges faster compared with the certainty equivalence-based method.     

Design of optimal midcourse guidance sliding-mode control for missiles with TVC

This work discusses a nonlinear midcourse missile controller with thrust vector control (TVC) inputs for the interception of a theater ballistic missile, including autopilot system and guidance system. First, a three degree-of-freedom (DOF) optimal midcourse guidance law is designed to minimize the control effort and the distance between the missile and the target. Then, converting the acceleration command from guidance law into attitude command, a quaternion-based sliding-mode attitude controller is proposed to track the attitude command and to cope with the effects from variations of missile's inertia, aerodynamic force, and wind gusts. The exponential stability of the overall system is thoroughly analyzed via Lyapunov stability theory. Extensive simulations are conducted to validate the effectiveness of the proposed guidance law and the associated TVC.     

质量矩导弹构型及自适应控制律设计

 质量矩导弹姿态运动模型含有活动质量块的位置、速度和加速度项,是典型的带有输入非线性的快时变多体系统。从构型和控制律设计两方面入手研究该类导弹跟踪控制问题。通过对姿态动力学模型的深入分析,获得了一种使系统具备良好动态品质的构型。以此为基础,建立了仿射型姿态运动模型,利用退步方法设计了控制律;考虑到系统中存在气动参数、外界扰动和执行机构动态特性等不确定因素,设计了鲁棒自适应补偿项;最后进行数学仿真,通过与标准退步控制律进行比较,验证了该控制律的有效性。     

高速光纤总线在导弹综合信息一体化技术中的应用

随着弹上设备日益复杂和综合,高速光纤总线网络以其带宽高、质量轻、可靠性高、电磁兼容性好等特点,成为实现导弹综合信息一体化的有效途径。结合新一代导弹武器综合信息传输需求,提出了一种适合弹上信息传输的基于反射内存超高速光纤总线设计方案,完成了反射内存接口适配器的设计,搭建了测试验证系统。测试结果表明,该光传实时网络可在一定程度上满足弹上信息传输系统在传输速率、实时性、可靠性、容错能力等方面不断增长的要求。     

半捷联位标器稳定跟踪与弹体姿态一体化控制

半捷联位标器安装在弹体上,由于寄生回路的存在,使得位标器稳定跟踪控制回路和弹体姿态控制回路产生严重耦合,影响了位标器的稳定与跟踪。针对半捷联导引头稳定平台的稳定与跟踪问题,提出了一种半捷联位标器稳定跟踪控制与弹体姿态控制的一体化方法。基于反步控制原理设计了控制律,通过合理选择反馈增益可保证系统的稳定性与动态性能。最后对一体化设计与传统分离设计进行了仿真对比。仿真结果表明：考虑位标器稳定跟踪回路与导弹姿态回路耦合的一体化控制器,不仅能够保证弹体姿态控制系统快速响应,还可以提高位标器的稳定跟踪性能,并降低位标器跟踪不上高速目标的可能性。     

基于导航姿态解算的光纤陀螺平台低频角振动测试方法研究CSCD

为准确评价光纤陀螺平台的低频角振动特性,提出了一种基于导航姿态解算的光纤陀螺平台低频角振动测试方法。首先,通过角振动台精确模拟载体的低频角振动状态,并通过光纤陀螺平台飞行导航过程中的断调平差分信号,实现平台框架角度信号与角振动台激励角度信号的数据同步;然后,利用平台式惯导系统的导航姿态解算方法,实时解算低频角振动过程中光纤陀螺平台的台体姿态,并通过坐标系转换得到平台基座系相对于地理系的实时姿态;最后,通过对光纤陀螺平台稳定回路的幅相特性分析,得到低频角振动激励下稳定回路的幅值和相位特性,实现对光纤陀螺平台角动态特性的准确评估。     

无人机空中对接中的视觉导航方法

无人机空中加油是一种能有效提升巡航里程及续航时长的技术手段,近距相对位置和姿态测量技术是其中需要解决的关键问题之一。针对该问题研究了无人机自主空中对接中的视觉导航方法,完成了近距对接的地面实验。首先,利用移动对接图标和无人机的GPS/INS信息进行无人机的粗略导航,完成会合;再充分利用视觉图标的颜色与形状信息,通过颜色分割选取目标可能区域,在这些区域中进行快速椭圆检测,针对椭圆检测算法存在误检测及边缘不重合的问题,提出了椭圆检测与轮廓检测相结合的方法,能够更准确地描述图标边缘;最后,利用改进的OI算法进行相对位姿的估计,实现近距的精确导航。实验结果表明,无人机在较高速度下的跟踪效果良好,采用的视觉导航方法能够满足空中对接中精度与实时性的要求。     

三框架四轴惯性平台系统弹体姿态角解算方法

三框架四轴平台虽然满足了导弹武器系统全姿态机动的需求,但由于增加了一个框架角,弹体姿态的解算却比三轴平台复杂得多.根据随动回路的工作特点,推导出了三框架四轴惯性平台系统各种工况下由四个框架角输出解算弹体的三个姿态角的公式.     

基于LSTM的空间机器人系统惯性张量在轨辨识

在空间机器人抓捕目标的过程中,整个系统的惯性张量会随时间变化且在目标被捕获瞬间发生突变,这会严重影响整体姿态控制的精度。针对以上问题,提出了一种基于长短期记忆（LSTM）的系统惯性张量在轨实时辨识方法。首先,对于目标捕获前后的2个阶段,利用拉格朗日方程建立了空间机器人的动力学模型;然后,基于所建空间机器人模型采用域随机化方法生成足量训练数据,并用其对由LSTM网络与多层全连接网络构建的参数辨识网络进行训练;最后,使用训练好的参数辨识网络对系统惯性张量进行辨识。数值仿真结果表明：所提方法能够精确辨识空间机器人抓捕过程中的系统惯性张量,所研究系统的主惯量平均相对辨识误差小于0.001,惯性积的平均相对辨识误差小于0.01。