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。     

捷联惯导/星敏感器组合导航技术研究

针对在捷联惯导系统中陀螺的误差存在随着时间积累而逐渐增大的缺点,提出了捷联惯导系统+星敏感器的组合导航方案,并进行了仿真及结果分析。以Kalman滤波为基础,通过将捷联惯导系统和CCD光学传感器所测得的飞行器相关姿态信息进行数据融合,估计出组合导航系统的误差状态量,进而修正捷联惯导系统的位置、速度和姿态角。详细推导了捷联惯导+星敏感器组合导航的算法,并通过对仿真结果的分析证实了该方案的可行性和算法的有效性。     

陀螺罗经和计程仪辅助的GNSS/SINS松组合导航系统

针对GNSS/SINS组合导航系统在全球导航卫星系统(GNSS)失效情况下,系统导航误差会因捷联式惯性导航系统(SINS)的误差积累而迅速扩大的问题,提出一种基于卡尔曼滤波(KF)的GNSS/SINS/GC/VL松组合导航系统及算法。该算法利用引入的航向和航速信息建立滤波方程,可以实现在滤波后对SINS进行误差修正。仿真结果表明,有陀螺罗经和计程仪辅助的GNSS/SINS组合导航系统在GNSS失效情况下,其定位误差比传统GNSS/SINS松组合的定位误差小。     

月面着陆器INS/CNS深组合导航方法

针对月面着陆器下降过程中的姿态快速调整需求，导航系统必须具备实时快速解算能力，而传统天文导航算法星图识别过程计算量大，占用了一定的硬件资源和能耗，限制了月面着陆器动态响应能力的提高。针对这一问题提出一种基于图像灰度误差的惯性/天文深度组合导航方法。该方法利用惯导辅助星敏感器构建灰度误差函数，根据灰度误差梯度优化姿态失准角，无需星图识别过程依旧可以完成对姿态的估计。仿真结果表明，在导航星数目不少于3颗时，该方法可在与惯性/天文松、紧组合姿态精度一致的前提下，将计算时间缩短60%，姿态精度维持在10″(非光轴)、50″(光轴)以内；在导航星数目小于3颗时，依旧可以进行导航解算，姿态精度维持在50″(非光轴)、100″(光轴)以内。将其应用于月面着陆器等实时性需求较高的背景中，有助于降低算法的计算量，节约硬件资源和系统功耗，为未来月面着陆器导航系统的设计提供新思路和理论参考。     

基于北斗双星定位系统的组合导航滤波算法实现研究

捷联惯性导航系统的主要缺点是导航定位误差随时间增长。北斗双星定位系统是我国独立研制的一种区域性卫星导航定位系统,具有自主性强、定位精度较好的特点。因此捷联惯导与北斗双星定位的组合成为具有我国特殊意义的一种组合导航系统。论文针对北斗双星定位系统设计了一种低阶卡尔曼滤波器,建立了双星的量测噪声模型。首次提出了使用逐次逼近法来解决北斗双星系统中存在的位置滞后的问题,并且最后进行了实际的跑车验证。试验表明,该组合导航滤波算法实时性好,精度高,具有较好的工程应用价值。     

SINS/TACAN组合导航卡尔曼滤波算法

随着对飞行器飞行精度和可靠性要求的提高,单一系统已无法满足系统要求,而采用先进的算法,利用信息融合技术将导航系统进行组合,取长补短,提高系统的综合性能成为主流,并得到迅猛发展。导航系统也呈现多信息化、智能化、集成化的发展趋势。本文根据捷联惯导系统(SINS)和塔康系统(TACAN)不同的导航特性,在卡尔曼滤波的基础上,将二者组合起来,编写SINS/TACAN组合导航的滤波算法,并对该组合导航系统进行仿真,仿真结果表明:卡尔曼滤波下的SINS/TACAN组合导航系统,有很高的可行性。     

面向小推力变轨的天文组合自主导航方法

针对小行星探测任务对导航系统自主性强、实时性高的需求,研究了一种面向小推力变轨的天文组合自主导航方法。根据工程实践分析并建立了电推进变轨过程中的动力学模型,给出了天文测角测速组合的小行星探测自主导航方案。为克服小行星探测器推力的不确定性,提出了采用自适应交互式多模型无迹卡尔曼滤波(AIMM-UKF)算法,以较少的模型个数实现对导航系统状态的覆盖,克服了模型集合先验信息不准确对导航精度的影响,提高了组合导航系统的鲁棒性和抗干扰能力。最后,通过数学仿真对组合导航算法的性能进行了验证,结果表明本文提出的组合导航方法估计精度更高、计算消耗更小,可满足小行星探测工程任务对导航系统自主性、实时性和高精度的需求。     

捷联惯导系统级余度技术研究(上)

为提高捷联惯导系统(SINS)长时间工作的导航精度，分析了SINS的姿态角、飞行速度和定位三类基本误差，以及系统误差的表示方法。给出了SINS与全球卫星定位系统(GPS)、多普勒导航系统(DNS)组合导航系统的状态方程和误差分析，在给定条件下进行了仿真试验。在此基础上，采用残差X^2和状态X^2检验法，对SINS／GPS，SINS／DNS组合系统中子系统故障检测与隔离的原理和方法进行了研究，并用残差x。检验法对容错组合导航系统进行了仿真。结果表明，采用SINS／GPS，SINS／DNS组合系统可提高导航精度，用残差X^2检验法可判定发生故障的子系统并进行隔离。     

基于因子图的无人机多源组合导航算法研究

为解决无人机飞行器在多源组合导航系统中,不同信息源由于其传输频率不同,信息利用率不高导致定位、测姿精度降低以及传感器数量增多导致计算量增加和信息融合困难的问题,提出了一种基于因子图算法的信息融合方法。以无人机MINS/BDS/磁罗盘/气压高度表组合导航系统为例,构建了因子图信息融合模型。最后,通过车载跑车试验采集导航传感器原始数据进行离线仿真,将因子图融合算法与分散式联邦滤波算法进行误差对比,验证了因子图算法作为无人机信息融合方法的可行性,并且该方法在高度定位以及航向角测姿上展现了更高的精度。因子图算法灵活的扩展能力,为实现无人机定位、测姿的完整性提供了保障,系统的鲁棒性逐步增强,同时为进一步研究无人机全源导航打下了基础。     

基于天文角度观测的机载惯性/天文组合滤波算法研究

针对采用天文/惯性位置组合时对导航选星有特殊要求,提出了基于天文角度观测信息的机载惯性/天文组合滤波方案及算法.对基于天文角度观测的INS/CNS组合导航系统的原理进行了充分阐述,分析并建立了基于单星或多星观测条件下的组合导航系统线性化量测方程,并针对角度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,并在此基础上设计了组合滤波器算法.最后进行了组合导航系统仿真,并通过协方差分析的方法对比分析了单星和双星观测条件下的滤波性能.仿真结果表明,即使是在单星观测条件下,组合导航系统也能获得较好的定位精度;若观测星数增多,则可以大大提高系统性能,表明该组合导航系统设计方案是成功可行的.     

平台单星复合制导方法研究

为了提高武器命中精度,开展了平台单星复合制导方法研究。通过建立星敏感器观测量、平台失调角与落点偏差之间的联系,构建星光修正模型;同时利用数值寻优方法确定最佳星方位。仿真证实,平台单星制导方法能够有效降低制导工具误差,是提高导弹命中精度的有效手段。     

组合导航制导系统的容错技术及特点

论述了组合导航制导系统的容错设计方案，其中包括ＩＮＳ／ＧＰＳ（惯性导航／全球定位系统）组合系统容错技术、ＳＩＮＳ／ＧＰＳ／多普勒组合系统的容错技术及ＩＮＳ／ＧＰＳ／ＣＮＳ组合系统的容错技术；然后分析了组合导航制导系统的抗故障问题，给出了组合导航、制导系统的故障分类和系统出故障后的运用情况；最后，对其发展进行了展望，并提出了今后有待进一步研究的问题。     

SINS/CNS组合导航系统的降阶模型研究

在利用卡尔曼滤波器对数据进行处理时,其计算时间是由模型的状态矢量维数n决定的,每一步迭代的计算量与n3成正比。状态维数的减少会使计算时间大大缩短。本文首先介绍了SINS/CNS组合导航系统的动态模型,研究了基于奇异值分解的状态可观测度分析方法并提出一种改进的方法,在求状态变量的可观测度时,抛开了观测量,只利用可观测矩阵进行分析,然后应用该理论对SINS/CNS组合导航系统进行状态可观测度的分析,略去不可观测的状态分量,提出一种降阶的系统模型。仿真结果证明,降阶模型可以提供满意的导航精度。     

一种多模型自适应联邦滤波器及其在INS/CNS/GPS组合导航系统中的应用

本文介绍一种基于多模自适应估计的联邦滤波器的原理和特点。设计了INS/CNS/GPS组合导航系统的联邦滤波算法 ,并首次将多模自适应估计方法运用到联邦卡尔曼滤波器中。此外 ,联邦滤波器算法中采用自适应调整信息分配系数的方法。仿真结果表明 ,与采用单一模型的联邦滤波算法相比 ,多模自适应方法与联邦滤波方法结合使用能大大提高导航系统的精度和可靠性。     

星光/惯性组合制导方案与位置误差分析

根据捷联星光制导双星方案和星光/惯性组合制导基本原理,提出了一种以惯性导航为主、星光制导为辅的导弹组合导航方法。建立了组合导航位置误差计算模型。对星光惯性组合制导精度的分析表明,该法提高了对星光导航测量信息的利用度,改善了导航精度。     

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.     

一种亚轨道飞行器再入段组合导航方法

针对亚轨道飞行器再入飞行段的环境特性,设计了由INS、GPS、CNS组成的容错型 组合导航系统,该系统能根据不同飞行阶段选择相应的传感器组合方案,将处于运行状态 且无故障的子系统信息自动地实现最优融合。仿真结果表明,所设计系统具有良好的容错性 ,并达到了较高的导航精度。