小型无人飞行器风场扰动自适应控制方法

针对小型无人飞行器在执行任务时传感器测量精度低、受风场扰动影响大的问题,提出了一种利用矢量域与滑模控制相结合的复合控制方式,有效地实现了对小型无人飞行器的轨迹与航向的自适应跟踪。将复杂航迹分解为直线段与圆弧段分别构建矢量域,从而确定基于位置误差的航迹信息,并通过机载传感器获得状态和位置信息,利用滑模控制方法抑制风场扰动对小型无人飞行器的影响。试验结果表明,本文提出的控制算法能够保证阵风干扰情况下小型无人飞行器的航迹控制精度,同时具有良好的动态响应。     

基于导航卫星反射信号的空间飞行器探测定位方法

导航卫星信号经由空间飞行器后将发生反射与散射,此信号对于飞行器自身的定位通常作为多径信号被消除。利用双基无源雷达的概念,提出利用该信号实现空间飞行器的远程定位方法。该方法充分利用空间飞行器对于导航卫星信号的反射与散射,在地面/空中设置可以接收此反射信号的接收机,从而实现飞行器的探测。接收机利用码延迟锁定环路实现直射信号与反射信号的锁定,并通过求解直射信号与反射信号的相关功率获得其路径差,进而计算出空间飞行器的位置。介绍了利用延迟映射接收机(DMR)探测空间飞行器的系统组成,并给出了远程定位的数学模型、关键技术分析、DMR的设计原理及验证实验,实验结果表明所设计的DMR可以有效地接收到导航卫星反射信号。为空间飞行器的探测提供了一种新型的手段。     

多输入多输出电磁矢量阵列雷达的DOD和DOA联合估计

研究一种基于电磁矢量传感器阵列的多输入多输出(MIMO)雷达目标波离角(DOD)和波达角(DOA)的联合估计算法.提出了一种新型MIMO雷达系统,发射阵列采用常规阵元,而接收阵列采用电磁矢量传感器,在此基础上,算法首先利用矢量传感器的内在结构特点结合子空间旋转不变性质获得目标DOA预估计,随后采用最佳加权子空间拟合算法...     

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。     

利用GPS提高测量船的测位和测姿精度

测量船是海上活动观测站，船上配有精密跟踪测量雷达和光学经纬仪等测控设备，要精确观测空间飞行器的运动轨迹或弹道，就必须精确测定船体的位置，速度，姿态和航向，我国早期测量船上的导航系统使用避限性很大，而且相当落后，已经不能满足当代海上作业的精度要求，急需更新。目前，我国GPS已全面投入运行，利用该系统测定测量船的位置和姿态，不仅精度高，实时性强，而且操作简便，设备成本低，借助差分导航，组合导航等技术还可以进一步提高其定位测姿精度，不久的将来，俄罗斯的Glonass也将投入运行，且工作性能与GPS基本一样，可作GPS的补充导航能力。     

微小型无人机用微磁数字罗盘集成系统的设计

 针对现有微磁数字罗盘成本高、输出频率低、动态定姿时易发散等问题,结合微小型无人机(MUAV)导航与控制系统的组成特点,设计了一种利用MUAV机载微惯性测量单元(MIMU)中的天向陀螺输出判断无人机的运动状态,采用MIMU中的3轴加速度计组件测量的地球重力矢量,配合3轴磁阻传感器测量的地球磁场矢量,共同进行姿态确定的微磁数字罗盘集成系统。对传统的环境干扰磁场校正方法进行了完善与验证,使之适合于空间三维定姿。试验结果表明：系统总体性能良好,航向精度可达0.5°,成本为同类产品的1/5,输出响应可达50 Hz,满足应用于MUAV导航控制系统的微磁数字罗盘的高精度、低成本和实时性的要求。     

低成本GPS/INS综合姿态测位系统

廉价固态惯性传感器技术取得很大进展,使得惯性测量设备(IMU)的价格下降到10,000美元左右。测地和导航研究所(IfEN)购买了这种IMU,即SystronDonners公司的MotionPak~(TM),用来开发GPS/INS综合姿态确定系统。至于综合系统中的GPS接收机,IfEN选用了天宝公司的先进导航传感器(TANS)Vector接收系统,这是一个多天线测姿测位系统。 IfEN开发了实时导航软件,利用MotionPak陀螺仪和加速计的输出计算位置、速度和姿态。这些计算值与从TANS Vector得到的位置、速度和姿态信息在卡尔曼滤波器中综合处理。试验结果表明该系统可以达到0.1°的姿态确定精度(RMS)。本文介绍了这种低成本GPS/INS综合系统,包括GPS和INS硬件,数据获取和软件。     

利用GPS提高测量船的测位和测姿精度

测量船是海上活动观测站,船上配有精密跟踪测量雷达和光学经纬仪等测控设备。要精确观测空间飞行器的运动轨迹或弹道,就必须精确测定船体的位置、速度、姿态和航向。我国早期测量船上的导航系统使用局限性很大,而且相当落后,已经不能满足当代海上作业的精度要求,急需更新。 目前,美国GPS已全面投入运行,利用该系统测定测量船的位置和姿态,不仅精度高,实时性强,而且操作简便,设各成本低。借助差分导航、组合导航等技术还可以进一步提高其定位测姿精度。不久的将来,俄罗斯的Glonass也将投入运行,且工作性能与GPS基本一样,可作为GPS的补充导航能力。     

气动推力矢量无舵面飞翼的飞行实验

为实现对无舵面飞翼姿态的控制，针对基本型旁路式双喉道气动推力矢量喷管提出了“单发倒Ⅴ双喷管”布局。随后对该布局的喷管进行测力实验，并且最终将其安装在飞行器上进行了成功试飞，并对采集到的飞行数据进行了分析。结果表明:喷管矢量角随喷管阀门开度基本呈线性变化，且无滞回性；安装该布局喷管的飞行器可以不通过舵面控制，仅仅依靠旁路式双喉道气动推力矢量喷管即可有效地控制飞行器姿态；对于所研究的飞行器，在滚转机动性方面，矢量控制与舵面控制效果相近，而对于俯仰机动性，矢量控制效果较弱；后续如果使用该布局喷管控制飞行器姿态时，应当增大两个喷管之间的夹角，将更适用于飞翼布局飞行器的操纵。      

亚轨道飞行器航程控制的末端能量管理方法

提出一种针对小能量亚轨道飞行器在无动力返回末端区域的多参数耦合、能量航向分离控制、动势能匹配衰减的精确控制的末端能量管理方法。以动能、势能作为约束条件,以航程作为优化指标,采用能量控制方法实时生成能量剖面,根据飞行器名义能量/航程在能量剖面中的位置确定迎角,最终生成三个姿态角。仿真结果表明用这种方法得到了良好的制导结果。     

基于3D Zernike矩的巡检器与空间站的相对导航算法

针对航天器相对导航问题,以空间站表面为"特殊地形",提出一种基于大型航天器表面巡检的相对导航算法。首先,运用巡检飞行器上的TOF （Time of Flight）相机测量空间站表面局部点云数据,以该点云数据为实时图,以空间站表面先验点云数据为基准图。然后,利用3D Zernike矩与三维地形间的一一对应关系,将三维地形匹配转化为基于3D Zernike矩的特征向量匹配。在此基础上求解实时图与匹配上的基准图间的相对位置、相对姿态,从而确定两航天器间的相对导航参数,并通过实验分析了匹配精度及速度的主要影响因素。最后,将该相对导航参数与惯性系统推算的相对导航参数在扩展卡尔曼滤波器的框架下实现信息融合,估计了巡检飞行器与空间站间的相对位置、相对姿态,实验结果表明,相对位置精度优于0.002 m,相对姿态精度优于0.1°。     

基于卫星和星敏感器的冗余激光惯组在轨标定

采用高精度卫星导航速度、位置信息以及星敏感器提供的姿态信息设计十表冗余捷联惯组的标定模型,包含陀螺和加速度计的零次项和标度因数,对卫星和星敏感器辅助的冗余激光陀螺捷联惯组进行实时在轨标定.利用标准Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波作为估计算法,对十表冗余捷联惯组参数进行在线估计.数值仿真结果表明:参数标定精度均在7％以内,是一种实时的在轨标定方法,满足误差补偿要求.冗余惯组在轨标定方法为航天器高精度定姿和定轨提供了一种理论参考.     

DF Vectoring: Application to Stationary Synchronous Satellites

Several methods of using an earth-based radio reference signal to determine the three-axis attitude of a synchronous satellite, and two types of spacecraft electronic systems (amplitude measurement and phase measurement), which obtain attitude and pointing information from the radio reference signal for orientating the spacecraft and for directing large-aperture antennas aboard the spacecraft are described. The earth-based radio reference signal also enables the electronic systems to determine angles to other ground stations with respect to fixed (reference) stations on the earth. These attitude- and angle-determining techniques are applicable to communications satellites, navigational satellites, and intersatellite data relay systems.     

一种星敏感器-陀螺组合定姿的实时在轨标定方法

研究了一种星敏感器一陀螺组合定姿方式中的姿态敏感器误差的实时在轨标定方法。首先,选择直观的欧拉角作为姿态描述参数,根据星敏感器和陀螺的测量原理建立星敏感器一陀螺在轨标定的测量方程和状态方程,并以此建立数学模型。其次,采用简单高效的EKF（ExtendedKalmanFilter,扩展卡尔曼滤波）作为估值算法,进行了在轨标定数值仿真。对于航天器姿态定向中出现的姿态角和星敏感器安装角之间的耦合问题,通过在特定姿态通道上施加简单姿态机动实现了解耦。数值结果表明,该实时在轨标定方法,尤其是所提出的姿态角和星敏感器安装角解耦策略,可以实现对航天器姿态的实时精确估计以及对星敏感器安装误差、陀螺常值漂移和相关漂移等误差的实时在轨标定。该方法可用于航天器姿态测量设备的实时在轨标定和航天器姿态的高精度实时确定。     

磁强计数据辨识卫星自旋状态

针对近地低轨三轴稳定卫星在轨管理后期,除磁强计外其他姿态敏感器都无效情况下的姿态异常问题,分析了三轴稳定卫星失去姿态基准后,星体自旋状态下三轴磁强计测量数据的特点,提出了使用磁强计测量数据的矢量信息,以找到能够获取卫星状态的方法,从而建立了磁强计测量矢量与卫星自旋轴的几何关系,给出了处于自旋状态下的卫星自旋轴确定方法。通过此种辨识方法,获得了某气象卫星姿态异常翻转状态下的自旋矢量方向和自旋角速度,从而证明了该辨识方法快速、有效,可以作为姿态异常卫星自旋状态的辨识手段,为恢复卫星姿态提供了重要信息,具有一定的工程应用价值。     

磁强计在航天器上的应用与前景

随着科学的进步,磁强计已被广泛地应用于航天器.本文首先根据磁强计测量原理的不同,对其进行分类.分别介绍各类磁强计的物理测量原理,描述其特性、精度、适用范围.同时概括目前在航天器得到较广泛应用的磁强计.在此基础上,进一步具体分析磁强计作为卫星载荷、姿态测量和控制以及自主导航轨道计算的方法、作用和特点.然后,针对这三个方面应用指出其在航天器上应用存在主要问题和关键技术.最后,对磁强计在航天器上的应用进行总结.同时对其未来的发展进行展望,磁强计在航天器上仍有着良好发展前景.     

着陆小行星的视线测量自主光学相对导航算法及其可观性分析

 以软着陆小行星为工程应用背景,提出了基于视线(LOS)测量的自主光学相对导航算法,并对导航算法的可观性进行了比较深入的分析研究。首先,基于透视投影模型的共线方程,给出了导航测量方程和测量敏感矩阵;接着,通过多个视线矢量的测量,应用高斯最小二乘微分修正(GLSDC)和龙贝格-马尔塔(LM)算法对探测器的位置和姿态参数进行了估计。然后,通过对误差方差阵逆矩阵秩的分析,比较详尽地分析了不同数量视线观测条件下导航算法的可观度和可观性。最后,通过数学仿真对所提出的自主导航算法的可行性进行了验证。     

航天器惯性及其组合导航技术发展现状

航天器是在地球大气层以外运动的飞行器,也包括部分从宇宙空间返回地球的飞行器。在航天器的飞行过程中,惯性敏感器是实现航天器姿态确定、速度变化测量的关键敏感器之一。随着航天器任务的不断扩展,航天器对惯性器件的使用日趋复杂,高精度定姿、惯性导航、组合导航等技术在应用深度和广度上不断发展。以此为背景,对航天器惯性技术的发展脉络进行了全面的梳理和总结,包括惯性技术的使用方式、技术现状以及未来发展等几个方面的内容。     

发展单兵星敏导航装备的必要性及技术特点

星光导航不受电磁干扰、能提供绝对姿态信息，具有重大战略意义。目前的星敏主要是为空天基导航而发展的，将其应用于单兵导航是否必要、需克服哪些技术难点、能达到怎样的效果等，都是值得探索的问题。为此，首先论述了发展单兵星敏导航装备的必要性，包括：不受电磁干扰破坏，是其他单兵导航装备失效时的保底装备；定向精度高，能弥补单兵卫星导航装备无法定向的缺陷；已突破部分气象因素限制，具备了全天时导航条件等。然后探讨了单兵星敏导航与空天基星敏导航、卫星导航、天文大地测量等比较所具有的不同技术特点。提出了发展单兵星敏导航装备需解决的关键技术问题，包括：气象因素影响的消减、时间基准和电源的长期维持、系统探测性能与系统小型化的平衡等。研究结果可为发展单兵星敏导航技术、设计研制单兵星敏导航系统提供参考。     

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。