基于STK的空天飞行器全程航迹模拟仿真研究

准确模拟空天飞行器的飞行航迹,是验证空天飞行器导航算法正确性、研究导航系统性能的重要前提和基础.为对空天飞行器的全程飞行航迹进行模拟仿真,提出了利用动力学软件设计出高可信度、高精度动态飞行航迹的方法.针对空天飞行器发射段、在轨段、灵活变轨段、高速再入段4个不同飞行阶段,分别使用了STK软件中的运载火箭、卫星以及飞机模型,并结合空天飞行器不同阶段的运动特性设置了模型的相关参数,实现了空天飞行器的全程分段航迹模拟.利用获得的STK数据报告对空天飞行器进行了惯性导航系统仿真,仿真验证结果表明,STK设计的航迹能有效满足导航系统的仿真要求.     

飞船再入制导研究

在配平迎角飞行的合理假设下，建立了描述载人飞船再入飞行段弹道的数学仿真模型。在飞船再入标准轨道设计和再入机动边界计算的基础上，研究了基于标准轨道法的飞船再入飞行制导规律。六自由度飞行弹道的数学仿真证明，设计的制导律能满足飞船再入飞行制导和定点着陆的要求，同时还得到了飞船再入飞行的某些运动规律和一些有益的结论。     

高超声速飞行器再入多段导引方法研究

针对通用航空飞行器(CAV)的再入飞行问题,研究了一种滑翔式再入飞行器的三自由度轨迹快速生成方法。该方法将再入轨迹分为初始下降段、过渡段和占大部分飞行时间的拟平衡滑翔段,引入拟平衡滑翔条件(QEGC),将过程约束转换成倾侧角制导律的上界。结合预测校正方法在线设计满足各种轨迹约束的倾侧角制导律,最后在计算机上进行制导仿真。仿真结果表明,该方法可快速地得到满足过程约束和目标要求的弹道。     

考虑攻击角度和时间约束的再入轨迹规划方法

针对考虑终端横向攻击角度和时间约束的再入轨迹规划问题，提出了一种纵向轨迹和横向机动轨迹相结合的高超声速飞行器再入轨迹规划方法。首先，通过再入飞行过程约束得出高度-速度剖面内的再入轨迹边界，利用改进的两个高度系数控制的高度-速度剖面规划多项式得出飞行器再入轨迹纵向剖面；然后，根据终端横向攻击角度约束预设导航点，规划出满足条件的横向机动轨迹。此外，通过对两个高度系数的调整可实现在航程不变的情况下对飞行时间在一定范围内的调节。仿真结果表明：该方法能充分适应具有攻击角度和时间约束的再入轨迹规划任务。     

一种对GPS/INS组合导航的曳引式拉偏干扰

为解决GPS/INS组合导航对抗难题,提出一种针对GPS/INS组合导航的曳引式拉偏干扰方法。通过干扰设备产生欺骗干扰信号,使GPS/INS组合中的GPS接收机输出与其实际位置逐渐偏离的导航定位数据,当偏离误差无法被组合导航纠正时发生曳引式拉偏干扰。文中给出干扰方法的定义、信号形式、简化形式,通过半实物仿真实验证明其有效性并对其干扰效果进行了分析。     

可重复使用飞行器导航制导控制技术展望

针对当前可重复使用飞行器的发展现状,总结了其特点、优势和发展趋势.通过飞行任务,分析了可重复使用飞行器所面临的复杂环境特性和飞行控制特性.从飞行控制角度出发,概括了可重复使用飞行器导航制导控制所面临的技术挑战,包括高精度导航技术、多约束航迹优化技术、再入段和能量管理段的制导技术以及强耦合强不确定强鲁棒姿态控制技术等.最后,针对技术挑战,对可重复使用飞行器导航制导控制技术提出了若干建议.     

地磁辅助的无缝INS/GPS组合导航研究

INS/GPS组合导航已经成为当前无人机导航系统的主要实现形式,由于GPS信号容易受到干扰,在恶劣的电磁环境下信号易丢失,从而导致GPS卫星信号失锁而无法使用。地磁导航作为一种无源导航方法,其难以受到外界干扰且具有较强的自主性,从而为克服GPS在干扰情况下无法对INS误差实现持续无缝修正的不足提供了很好的途径。针对INS/GPS组合导航中GPS卫星信号失锁的情况,设计提出了使用地磁匹配导航进行辅助实现无人机无缝导航的实现方案,设计了基于地磁特征的地磁匹配算法和地磁匹配辅助的INS/GPS组合无缝自主导航算法,并通过仿真验证了采用地磁匹配辅助导航方法,可以在GPS无效的情况下,实现对INS导航误差的持续无缝修正,从而提高导航系统性能。     

高速再入飞行试验再入条件优化设计

飞行器返回再入时将经历极高的气动热环境,因此深空探测返回飞行器,尤其是载人飞船需要通过实际飞行试验验证相关性能,为降低成本和研制风险,通常采用大再入角和相对第二宇宙速度较低的再入速度进行飞行试验。为获得能实现高热流密度验证的最小能量再入任务方案,采用优化设计手段对飞行试验的再入角和速度以及倾侧角控制进行设计,经仿真分析表明,优化结果可达到飞行试验要求的热流密度,并可将再入速度需求降低约2．1 km／s。     

载人飞船返回舱六自由度再入弹道仿真研究

为了综合研究和分析载人飞船返回舱制导导航控制（ＧＮＣ）系统的性能,验证系统设计的正确性、合理性和可行性,提出了返回舱六自由度再入弹道仿真研究问题。根据返回舱ＧＮＣ系统的任务,建立了适用于包括风在内的各种干扰作用下六自由度再入弹道仿真数学模型,为半实物仿真奠定了基础。提出了基于标准轨道的再入制导律,严格推导了再入段总升力方向控制中滚动通道姿态控制信号的形成,并给出了工程应用中简化的方法,开发了综合仿     

航天飞机返回轨道

本文研究了航天飞机返回轨道的有关问题,分别对离轨段的优化,再入段的飞行“走廊”及控制规律等作了分析与计算,并就有关参数对再入段轨道的影响进行了讨论.     

A relative navigation system for formation flight

A relative navigation system based on both the Inertial Navigation System (INS) and the Global Positioning System (GPS) is developed to support situational awareness during formation flight. The architecture of the system requires an INS/GPS integration across two aircraft via a data link. A fault-tolerant federated filter is used to estimate the relative INS errors based on relative GPS measurements and a range measurement obtained from the data link. The filter is constructed based on a reduced-order model of the relative INS error process. A method for analyzing the filter performance is presented. A case involving two helicopters in formation flight is studied under three different night trajectories to account for the effect of vehicle motion on the INS state transition matrix. The results of the covariance analysis are compared with actual night results over an instrumented test range.     

惯性/双目视觉里程计深组合导航方法

针对现有视觉里程计测量噪声大、匹配精度低、实时性差的问题,研究一种基于Kalman滤波器的惯性/双目视觉里程计组合导航方法.在视觉里程计中引入惯性导航信息,辅助完成实时图截取、搜索区预测、输出速度校正等功能,提高视觉里程计的测量精度与计算速度.利用Kalman滤波器,实现视觉里程计对惯导累计误差的修正,提升组合导航系统的导航精度.车载试验结果表明,惯性/双目视觉里程计深组合导航的实时定位精度优于0.5％D (CEP),具备工程应用条件.     

基于相对导航的多平台INS误差联合修正方法

在机群协同编队飞行中,编队成员仅装载惯性导航系统(INS)的方式具有隐蔽、抗干扰等明显的优势,但随着航时的增加,INS误差将不断累积.使导航系统失效,为此,提出基于相对导航的多平台INS误差联合修正方法.首先,建立了编队成员相对导航运动模型及非线性观测模型,采用量测重构技术构造了伪线性观测模型并推导了观测噪声协方差矩阵...     

GPS／INS组合导航系统松、紧耦合性能比较

对GPS/INS组合导航系统的紧耦合算法进行了理论推导。详细分析了当INS元器件性能变差时,GPS/INS组合导航系统在不同耦合模式下的定位精度变化规律,得出采用紧耦合模式的组合导航系统比一般的松耦合方式能获得更好的定位精度;并通过仿真验证了该结论的正确。     

低轨星座/惯导紧组合导航技术研究CSCD

现有低轨(LEO)卫星导航研究主要以低轨星座独立导航定位和增强全球卫星导航系统(GNSS)导航定位为主,对低轨卫星和惯性导航系统(INS)组合导航技术研究较少。本文面向应用较小规模低轨星座资源实现米级定位精度的需求,提出了一种低轨星座/惯导紧组合导航方法,系统性地分析了不同规模低轨星座、不同精度级别惯导器件以及不同导航信号播发频度下组合导航定位的性能,并利用构建的仿真试验系统进行了低轨星座/惯导紧组合导航方法的仿真试验验证。试验结果表明,相较于低轨星座独立导航,低轨星座/惯导紧组合导航在星座不满足四重覆盖时仍能达到米级定位精度,并且在低轨星座规模较小和导航信号播发频度较低时,惯导测量精度对组合导航定位精度影响明显。研究结果表明,在利用低轨卫星进行导航时,通过引入惯性观测辅助低轨卫星导航,可有效提高导航效能和精度,为低轨星座和导航信号播发方式设计带来更多的选择。     

基于矢量化检测联邦滤波的INS/BDS/地磁组合导航容错方法

组合导航能够将多种类型的导航信息进行结合,实现优势互补,因此成为了目前导航应用领域的主要发展方向。然而,导航信息的增多势必会引入更多的风险源,从而降低导航系统的可靠性。基于联邦滤波的容错方法是目前抑制故障信息影响的主要解决手段,但是现有的故障容错方法普遍采用统一的检测机制,没有根据各个导航子系统的误差传播特性针对性地构建故障检测模型,因此会引起较高的误警率与漏检率。针对上述问题,提出了基于矢量化检测联邦滤波的INS/BDS/地磁组合导航容错方法。通过构建面向INS/BDS/地磁不同导航信息的故障检测函数,能够实现更加准确的矢量化信息分配,从而可以有效避免可用导航信息的损失以及故障导航信息对整体系统的影响。仿真结果表明,提出的方法可以有效隔离不同类型的故障信息,并减小其对无故障导航信息及整体系统的影响,从而提高了组合导航的精度和可靠性。     

Enhanced space integrated GPS/INS (SIGI)

Safe, reliable, and low cost space-based navigation is being provided with embedded INS/GPS systems such as the space integrated GPS/INS (SIGI). The SIGI is being used for various space vehicle applications such as launch vehicles, orbital vehicles, and re-entry vehicles. This paper describes current space vehicle navigation capabilities. The SIGI is being enhanced to provide additions to these existing capabilities with such items as higher processing and a commercial-off-the-shelf operating system. This will allow hosting of various software applications such as advanced navigation functions, flight control, guidance and vehicle management algorithms. The SIGI can host redundancy management functions by incorporating a cross channel data link card (CCDL) using a high speed firewire bus. The SIGI can then be used as a redundancy management platform which has application to current space vehicle avionics topologies incorporating distributed processing architectures     

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。     

机抖激光陀螺捷联系统动力学建模及结构动特性设计方法

机抖激光陀螺捷联系统普遍采用抖频偏频技术消除闭锁效应的影响,这使得激光惯导成为自带激励源的动力学系统,动力学系统结构参数的设计将影响陀螺抖动效率和陀螺测量精度。在陀螺抖动驱动力条件下,建立了包含激光惯导箱体、惯性测量本体、陀螺、减振器、抖轮在内的较为完整的动力学模型,给出了该模型的解答过程和Matlab仿真计算结果,讨论了不同结构参数对抖动效率及惯导精度的影响规律,并在此基础上提出了激光惯导结构基于动特性设计的原则和方法。经验证,该方法能够有效指导结构转动惯量等参数设计,提高了设计质量,有效避免了激光惯导由结构设计不足而导致的动力学问题。     

惯导系统结构拓扑优化方法研究

针对惯导系统结构拓扑优化问题,提出了一种考虑多工况组合和等效边界处理的优化方法.以惯导系统结构件为研究对象,梳理了不同结构件的载荷工况;以刚度最大为 目标函数,以体积分数、结构频率和最大变形等作为约束条件,研究了变密度拓扑优化方法;以某惯导系统的盖板、惯性台体和外壳体3个结构件为例,进行了优化方法验证.结果表明,与传统设计相比,在满足系统刚度、频率及动态特性的前提下,优化后的3个结构件质量分别减小18.3％、22.6％和18.0％,整体质量减小18.7％,实现了惯导系统结构的轻量化设计.