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。     

捷联惯性导航系统高精度动态仿真算法

由于飞行器动态模型航迹生成算法与惯性导航系统算法原理存在差异,无法直接仿真分析惯性传感器不同误差特性对惯性导航系统动态性能的影响.基于飞行器动态模型航迹数据,提出一种捷联惯性导航系统高精度动态仿真实现方法,设计了惯导参数动态计算误差并行补偿方案,实现了对导航系统动态仿真过程中导航参数计算误差的有效分离.在搭建的仿真平台上,有效验证了所提出仿真方法的性能,为实际惯性传感器选型和指标选择提供支撑.     

临近空间无人飞行器多余度容错导航系统设计

临近空间无人飞行器导航系统的故障直接影响到飞行器的任务执行和飞行安全,因此必须能够长时间地保持稳定性和精确性,为达到此目的必须设计由惯性导航、卫星导航等多种导航传感器组成的多源多余度容错导航系统,提高系统的可靠性。针对临近空间飞行器制导控制对导航信息的需求,提出了一种标准的三余度导航系统架构,并设计了采用新型加权平均表决子算法,具备故障检测和隔离以及故障重构功能的容错重构算法,构建了适用于临近空间无人飞行器的多余度容错导航系统,通过实测试验数据仿真验证了容错导航系统的性能,展示了系统一次故障工作的故障容错能力。所研究内容也可被其他类型的无人飞行器借鉴和参考。     

惯性／卫星组合导航开发平台的可视化仿真和实现

对惯性/卫星组合导航开发平台的可视化仿真及其实现进行了研究。该开发平台采用Visual++6.0语言进行编程,可进行实时导航动画显示,对惯性导航、GNSS及多种组合模态进行仿真运行,其结构和参数可由操作者根据实际情况选择或自行设定;特别针对不同的应用对象,可灵活地设置航迹和航路点,因此有较高的应用价值和实用意义,不失为设计组合导航系统的有力工具,在实际应用中对惯性/卫星组合导航系统研制和设计具有前瞻性和指导性。同时,模块化设计使该软件中的核心算法已方便地移植应用于实际工程组合导航系统中,收到了很好的效果。     

基于气动模型辅助的四旋翼飞行器室内自主导航方法

 惯性/卫星/磁传感器/气压高度计组合导航系统是四旋翼飞行器常用的导航方案。但在室内飞行时,由于卫星导航系统不可用,该导航方案的测速及定位精度难以满足四旋翼飞行器的自主飞行需求,从而制约了其室内自主飞行能力。为解决该问题,在利用四旋翼飞行器气动模型的基础上,提出了惯性/磁传感器/声纳传感器/气动模型组合导航方案。通过分析四旋翼飞行器的气动模型特性,揭示了气动模型辅助自主导航的内在机理;提出了气动模型辅助导航算法,并设计了具体的实施流程。最后,结合OS4型四旋翼飞行器的气动模型特点,搭建了气动模型辅助导航方案的验证平台,对四旋翼飞行器的室内悬停与机动飞行进行了仿真模拟。仿真结果表明,气动模型辅助导航方案可以显著提高室内飞行时的测速与定位精度。该方案无需增加其他传感器,具有自主性强、成本低和零载重的优点,在四旋翼飞行器室内导航中具有较好的应用价值。     

远程长航时飞行器惯性/天文组合导航技术研究

为实现天文导航系统位置和航向信息对惯性导航系统误差的有效修正,设计了一种远程长航时惯性/天文位置、航向组合导航总体方案,提出了天文信息辅助的惯导航向修正方法,并推导了惯性/天文位置组合导航动态方程。仿真结果表明,提出的远程长航时惯性/天文位置、航向组合导航方案和算法是正确的,且有效地提高了组合导航系统性能。     

CNS/SINS姿态组合导航系统仿真

针对大部分飞行器导航采用地理坐标系导航,天文导航在地理坐标系下姿态解算依赖导航位置而容易发生精度发散的问题,文章研究了地理坐标系下,天文,质性姿态组合导航系统滤波算法,以有效提高导航系统的精度。首先,对天文愤性组合导航系统数学模型进行分析;然后,用Matlab软件根据实际情况设定参数并获得仿真数据,在仿真数据的基础上进行标准的卡尔曼滤波的仿真研究。仿真结果表明,当惯导与天文导航进行姿态组合后,各导航参数精度明显提高,在短期内可认为是收敛的,但仿真时间较长后,各导航参数出现缓慢的发散趋势。     

基于Starlink机会信号/INS的组合导航方法

针对全球卫星导航系统(GNSS)因频点单一、落地功率低、易受电磁干扰以及存在覆盖较差区域等潜在的被拒止或被干扰导致的导航系统性能降低甚至失效的问题,提出了一种基于星链(Starlink)机会信号融合惯性导航系统(INS)的飞行器动态组合导航方法。首先分析了星链信号体制,建立了基于星链星座卫星下行机会信号的瞬时多普勒定位观测模型,设计了一种基于频率细分的快速最大似然多普勒频率估计方法,然后建立了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的Starlink机会信号/INS的组合导航模型,并对该导航方法进行了实验及分析。结果表明,该方法可为飞行器提供长航时、连续、高精度的导航。动态飞行情况下,该方法可实现平均优于25 m的三维定位精度和平均优于0.1 m/s的速度估计精度,比相同观测时间下的惯导精度提高了1～2个数量级,显著提高了飞行器的导航精度,可为战略导航提供方法和技术支撑。     

高动态环境下惯导高阶姿态算法研究

为满足高超声速飞行器的高动态特性对捷联惯性导航系统的导航精度提出的更高要求,在分析高超声速飞行器高动态运动频谱特性的基础上,研究了高动态环境下的捷联惯导高阶姿态积分算法。通过高超声速飞行器运动特性仿真,对比分析了不同阶次姿态积分算法对捷联惯性导航系统精度的影响。仿真结果表明,在高动态环境下,采用高阶姿态积分算法能有效提高捷联惯导导航精度。     

地地导弹天文导航的一种建模方法

介绍了远程地地弹道式导弹采用惯性／天文组合制导方案的优点。提出了以惯性导航为主、天文导航为辅的一种导航方法，推导出该方法对应的导航基准参数计算模型、导航参数计算模型及天文导航系统的横向导引方程。最后通过仿真计算，给出了所提供的天文导航方法和计算模型对提高导弹命中精度的效能。     

准实时性前斜视INS/SAR组合导航滤波算法研究

为消除常规利用正侧视SAR图像辅助导航信息对惯性误差进行修正时的滞后影响,结合前斜视SAR成像工作特性,本文分析提出了新的准实时性组合导航滤波方案和算法,以解决SAR/INS组合导航系统中的量测滞后影响;本文分析了前斜视SAR成像辅助导航系统工作特点,分析了SAR量测输出模型;建立了准实时性前斜视INS/SAR组合导航滤波算法模型,并通过仿真分析了组合导航系统性能。仿真结果表明：采用所提出的惯性/SAR组合方案和算法,可以有效克服成规正侧视SAR辅助匹配输出滞后的影响,有效满足组合系统性能要求。     

基于极限学习机的黑障区智能导航算法

在黑障区飞行阶段中,惯性导航系统会因缺少辅助导航系统而持续累积误差,导致飞行器导航系统可靠性下降。针对这一问题,提出了一种新的基于极限学习机的黑障区智能导航算法,通过极限学习机(ELM)对GPS正常工作的导航信息进行学习。在黑障区,利用学习得到的模型对惯性导航系统进行误差补偿,较好地修正了当GPS失锁时惯性导航系统的误差,避免了因误差累积而导致的导航信息发散。仿真结果表明,该算法能够保证在GPS失锁的黑障区中导航系统输出的信息有较好的可靠性和精度,能够为接下来的姿态调整和着陆准备提供良好的基础。     

基于UKF的高动态飞行器无源组合导航系统研究

针对飞行器在进行高动态飞行中卫星导航系统易受干扰、GPS可能被屏蔽,从而导致导航系统失稳甚至发散的问题,采用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法对基于捷联惯导系统(SINS)、地磁导航系统(GNS)和嵌入式大气数据系统(FADS)的组合无源导航系统性能进行了改进.建立了地磁数据模型和无源组合导航模型,并针对新的组合导航系统观测方程非线性程度较高问题,提出了利用非线性UKF对导航数据进行融合的方法.利用高动态飞行轨迹对所提出的组合导航系统进行了仿真及误差分析,结果表明该系统对SINS误差估计具有适中的精度.     

基于GNSS速度信息辅助的飞行器姿态保持技术研究

为了提高飞行器精确打击和侦察探测能力,针对飞行器组合导航系统高精度、长航时和高可靠的姿态保持问题,研究了一种基于GNSS速度信息辅助的飞行器姿态保持技术。通过采用开环修正和闭环修正结合的工作方式,克服了惯性导航误差随时间不断积累引起的滤波精度下降问题;通过对GNSS信息进行χ~2检测,避免飞行器作大机动飞行或有外部干扰时引起的GNSS信息异常,确保GNSS信息的有效性;通过对GNSS速度信息的时间延迟进行扩展建模,抑制GNSS数据延迟对姿态保持算法的影响。仿真和实际数据处理结果表明:该姿态保持技术充分利用惯性导航系统和GNSS的优点,技术方案合理,能够满足飞行器高精度、长航时和高可靠姿态保持的需求,具有较好的工程应用价值。     

平流层飞艇升降阶段BPNN惯性导航算法

软式平流层飞艇艇体在上升和下降时经常呈堆叠状态，GPS信号会被艇体间歇性遮挡，因而只能采用惯性导航。为保证在飞艇上升和下降过程中，INS/GPS组合导航系统在被艇体遮挡GPS时仍能够提供满足精度要求的导航信息，设计了一种改进的反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN）惯性导航算法。采用神经网络，根据惯性导航系统在1s内的速度均值和姿态变化量，预估其在1s末的位置误差和速度误差，并对惯性导航结果进行修正。仿真实验和跑车试验结果表明，在GPS失效的30s内，新算法使得位置误差低于15m，速度误差低于0.7m/s，误差相比纯惯性导航降低了85%。     

天文-惯性组合式导航系统及星体跟踪器研制

 纯惯性导航或多普勒导航的一个共同缺点是:一般都具有随时问或距离增长的位置误差,这就需要有一个外基准系统。为了满足现代飞行器导航所要求的高精度和可靠性,组合式导航已成为近代导航系统发展的一种趋势。文中提供的天文-惯性组合系统,在物理意义上是一种较为合理的和比较精确的组合形式,在现代各类飞行器上有着重要的特珠用途。天文导航中的星体跟踪器是这种组合形式获得量测信息的主要设备。本文总结了国内第一台自行设计的自动星体跟踪器的研究设计方法和解决主要技术关键的措施,列出了有关公式。试验结果证明设计是合理的,达到了夜间地面能跟踪二等以上星体,白昼一定亮度背景条件下能跟踪亮星的预定性能指标。     

一种无源双星与多普勒导航系统组合的实现方法

提出了一种双星定位系统(RDSS)无源测距信息与多普勒导航系统(DNS)组合导航的方法。首先对多普勒导航系统的定位误差进行了计算机仿真分析,得到了航姿系统(AHS)的航向角误差是系统主要误差源的结论。随后讨论了在气压高度信息辅助下无源双星和多普勒导航系统组合消除航向角误差影响的可行性,并且给出了利用卡尔曼滤波进行无源双星与多普勒导航系统组合的实现方法。计算机仿真和直升机搭载试飞的组合定位结果表明:无源双星与多普勒导航系统组合仅通过对多普勒导航系统的地速数据和两颗卫星无源测距差进行处理即可完成平面导航定位,从而摆脱了对航姿系统中航向角信息的依赖,抑制了平面定位误差的增长,获得较高导航定位精度的同时能够满足高动态导航定位的要求,为双星系统的无源应用提供了一条新的途径。     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

水下SRINS/DVL组合导航技术研究

针对单轴旋转激光陀螺惯导系统存在周期性振荡误差较大、定位误差随时 间累积的问题,为提高系统的导航精度以及实现高自主性和强抗干扰性,对单轴旋转激 光陀螺惯导系统与多普勒计程仪组合导航方法进行了探讨,建立了组合导航系统模型, 并进行了仿真分析。结果表明,采用该组合导航方案可实现对单轴旋转激光陀螺惯导系 统误差进行较为准确的估计,组合导航系统输出的姿态角误差小于0.1' ,东向和北向速 度误差小于0.05kn,在24h 内经度和纬度误差的最大值均小于0.02' 。