耦合位置误差的机载惯性/星光组合算法研究

针对星敏测量输出的是惯性系下姿态信息,无法直接应用于实际的机载地理系下姿态组合导航,提出了地理系下耦合位置误差的机载惯性/星光组合滤波算法。该算法分析了
惯性姿态到地理系姿态之间的相互转换关系,在建立的地理系下姿态线性化量测方程基础上,通过引入导航位置误差转换矩阵,建立了星敏测量的惯性姿态到惯性导航计算输出的地理系姿态之间的耦合误差模型;同时针对姿态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;实现了基于星敏测量的惯性系下姿态对地理系下惯性导航误差的直接修正。姿态耦合误差仿真结果表明该组合导航算法设计成功可行,为星敏在机载环境下的组合导航应用提供了新的思路。
     

星图匹配观测三角形优化选取技术

为了提高三角形星图识别算法的成功率,减少匹配过程中的计算量,进而提高星敏感器实时输出姿态的性能,提出一种星图匹配前“二次优化”选取观测三角形方法,该方法在在初选观测三角形的基础上,对观测三角形进行第二次优化筛选,进而提高星图识别环节的效率。优化选取观测三角形是基于QUEST定姿原理,将观测三角形的边与夹角的约束关系转换到像平面上。全天球遍历分析统计结果表明：在12°×12°视场中,采用本文提出的方法,可使一次匹配成功并输出可用于星图验证环节的较高精度姿态信息的概率提高60.9％,从总体上可大大减少星敏感器星图识别环节的计算量,并且每帧全天球定姿输出的时间一致性也被大大提高。     

基于箭体系的最佳解耦姿态控制方法

提出运载火箭姿态控制的一种最佳解耦控制方法。传统的运载火箭姿态控制，是通过对火箭在制导坐标系（发射惯性坐标系）中定义的欧拉角，形成俯仰、偏航、滚动三个独立回路的姿态控制指令，控制弹体姿态稳定、快速地跟踪指令姿态角。由于控制力矩是分别绕箭体轴给出的，而箭体轴通常与欧拉角的瞬时转轴不重合，所以造成三个控制回路的耦合（只有当偏航、滚动姿态角皆为零时才完全解耦），因此欧拉角控制的解耦问题成为许多学者的研究课题，并给出了一些解耦控制方法，但都比较复杂，实现困难。本文提出的最佳解耦控制方法是基于箭体坐标系的，该方法是根据实时确定的箭体系到指令箭体系的方向余弦矩阵，确定一组箭体系分别绕各轴的转角△θx1，△θy1,△θz1，即箭体各轴同时转动角△θx1，△θy1,△θz1，后可使箭体系与指令箭体系重合，这样便保证了解耦和最小转角的最佳控制。该方法成功地应用于大范围机动变轨控制，也将适用于其它轴对称飞行器的控制。     

星图匹配制导中的关键技术

为了提高新一代弹道导弹的快速、机动反击能力和射击精度，采用星光，惯性组合制导足最佳的选择。本论文给出了基于双星敏感器的、星图匹配制导系统的关键技术。提出了根据弹道设计导航星表．极大地简化了弹载星表；提出了一种适用于星光制导的凸多边形箅法，合理地减少了匹配的星对角距数目。这两项技术保证了星图匹配制导技术的实用性。提出了一种分离初始定位、定向误差及平台漂移误差方法。采用凸多边形的星图识别算法可同时获得多颗星的瞬时位置，结合恒星在像平面的位置可解算导弹在赤道惯性系和发射点惯性系的三轴姿态，最后，给出了导弹初始定位、定向误差的数学表达式。仿真结果表明了该方法的有效性。     

星敏感器慢变误差校准方法研究

对星敏感器慢变误差(LFE)校准方法进行了研究。根据星敏LFE主要是源于周期性的空间热环境变化的机理,将星敏的LFE作为周期信号,用傅里叶级数表述。用最小二乘法估算陀螺常值漂移中的周期量,再由常值漂移估计辨识出星敏LFE的参数,确定LFE傅里叶级数中正弦和余弦函数的振幅。根据傅里叶级数形式的LFE模型和估得的LFE参数,模拟产生LFE的表达式,对星敏的输出进行补偿校正。给出了星敏LFE的辨识过程。研究表明:星敏LFE补偿后,改善了姿态估计精度和陀螺常值漂移估计准确度,显著提高姿态确定系统的性能。     

动态星图显示算法的设计与实现

为了对星敏感器进行功能和性能方面的测试,需要使用星模拟器,为其提供任一时刻、任一惯性坐标系下指向的模拟星图。星敏感器较短的积分时间特性,要求星模拟器具有较短的采样周期,为此,采取了分区检索导航星的设计方案。首先,根据星图视场,由各颗星的赤经、赤纬数据,对天球进行分区,并计算出给定的光轴所在的分区。然后,根据光轴分区位置,找出邻近的3×3个子区。最后,在这9个子区中,查找出视场内的星。同时,实现了星图的静态与动态模拟。模拟结果表明,利用该算法,可使星模拟器实现指标：星图视场为17.5°×13.1°;模拟星等为 2.0 ～7.0等星;采样周期控制在毫秒级。基本满足动态星模拟器的大视场、宽星等范围、短采样周期等要求。
     

未知纬度下基于四元数解算的SINS对准方法

针对未知纬度下SINS对准问题,提出了一种基于旋转四元数地轴矢量解算的对准方法。该方法以惯性系下重力矢量连续观测为基础,构建以地轴矢量为旋转轴的旋转矢量序列,利用QUEST算法求解旋转四元数实现对地轴矢量的优化解算,并根据空间关系建立导航系轴向矢量的惯性系投影,最后利用陀螺跟踪载体系相对惯性系的变化,确定载体系相对导航系的姿态关系。仿真实验表明基于四元数解算的对准方法相对于传统的两步对准方法及几何解析对准方法,在对准精度与算法稳定性上都表现出较强的优越性,工程适用性较强。     

基于地轴矢量解算的SINS无纬度支持自对准方法

针对无纬度条件下SINS初始对准问题,提出了一种基于地轴矢量解算的对准方法。在静止基座下,利用陀螺仪敏感地轴矢量,直接建立导航系轴向矢量在载体系的正交投影,解析式确定姿态矩阵;晃动基座条件下,根据惯性系重力矢量观测,构建以地轴矢量为旋转轴的两组等角旋转矢量序列,利用QUEST算法求解旋转四元数实现对地轴矢量的优化解算,并以此建立导航系轴向矢量的载体惯性系投影,最后利用陀螺跟踪载体系相对惯性系的变化,确定载体系相对导航系的姿态关系。静止基座解算实验表明直接解析式对准与传统的解析式对准精度相当,但解算效率得到了提高;晃动基座仿真与船载实验均表明基于四元数的地轴矢量优化解算在精度上要优于三矢量几何解算方法,引入低通滤波环节后,对准精度进一步提高。     

运载火箭捷联惯组全自主对准技术应用研究

我国运载火箭发射前通常通过光学瞄准确定初始方位角,采用捷联惯组自对准解算获取水平姿态角。以可实现简易、快速发射的新型火箭为背景,在发射场阵风等干扰引起箭体低频微幅晃动的环境下,研究了捷联惯组自主对准技术。分析了运载火箭全自主对准的特点,利用以惯性系为参考基准的解析对准法和卡尔曼滤波精对准方法,对高精度全自主对准技术和其在运载火箭上的应用展开了详细论述。开展了全自主对准试验验证,结合新一代运载火箭首飞数据进行了分析。结果表明:捷联惯组全自主对准技术可替代复杂的光学瞄准系统,实现运载火箭发射前初始姿态的确定。     

旋转调制下的抗晃动干扰初始对准方法

针对晃动基座下的对准精度受限于惯性器件常值误差，提出了旋转调制下的抗晃动干扰初始对准方法。首先，分析了单轴连续旋转调制技术对常值误差的补偿机理，并在此基础上建立了晃动基座下的惯性器件输出模型;其次，详细推导了基于双重积分的惯性系粗对准算法，通过惯性坐标系下的姿态更新跟踪载体实际姿态变化消除了角晃动干扰，通过对比力进行双重积分克服了线振动影响;最后，在粗对准算法基础上，进一步建立了旋转调制下的系统状态方程和量测方程，通过反馈校正的卡尔曼滤波算法实现最优估计精对准。仿真结果表明:旋转调制下的抗晃动对准方法在克服晃动干扰的同时，能够解决对准精度受限问题，有效提高了初始对准精度。     

弹载导航星表的设计与实现

根据弹道导弹飞行时间短,飞行姿态相对稳定的特性,提出了一种弹载导航星表的设计方法。分析了导弹飞行轨迹投影的特点,其在天球上投影为大圆,在地心惯性坐标系XOY平面上的投影为椭圆,并对飞行轨迹进行分类。根据限制条件,确定出星敏感器扫描的视场区域,挑选出视场中的恒星,构建出弹载导航星表,并与传统的三角形星表进行比较。仿真结果表明,该方法简单、易行,存储容量较小,同时避免了在两极的情况下,赤经难以表示的问题。减少了星图识别时间,提高了星光制导的数据输出率,满足了星光制导在弹道导弹上应用的要求。     

运载火箭全捷联惯性/星光复合制导研究

全捷联惯性/星光复合制导是运载火箭空间快速响应发射的重要途径.针对捷联惯性制导系统中初始定位定向误差、初始调平对准误差及惯性器件漂移等3类主要误差因素,建立了运载火箭的数字平台基准偏差模型和导航误差模型,并提出了一种双星修正策略方案.数值仿真分析了各误差因素对捷联惯性导航精度的影响,并进一步验证了该复合制导方案的可行性...     

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。     

一种基于UPF的月球车自主天文导航方法

介绍了月球车自主天文导航原理和传统的迭代解析高度差方法，提出了一种基于月球车运动模型和UPF（Unscented粒子滤波）的自主天文导航新方法。该方法仅需利用由星敏感器和惯性测量单元测量得到的恒星的天体高度，结合月球车的运动模型，通过UPF滤波，即可获得高精度的月球车实时位置信息。计算机仿真结果表明该方法与传统方法相比，定位精度有了大幅提高，同时对几个关键的精度影响因素的仿真分析显示该方法可以有效的减弱量测噪声，星历误差等对系统性能的影响，使系统具有更高的适应能力。     

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。     

基于交叠视场亮度优选算法的导航星库构建方法

星敏感器导航星库直接影响星图识别效率和姿态解算精度。分析了参与姿态解算的星颗数和亮度对姿态精度影响,在此基础上,提出了一种基于交叠视场亮度优选算法的星敏感器导航星库构建方法。将精度较高的Hipparcos星表作为基础星表,分析了星等、双星、自行、变星等对姿态精度的影响,将星库筛选成一个备选星库,生成覆盖全天球的交叠视场。每个拥有较多星的视场,都按照亮度优先原则从视场内的扇形区域中选择导航星,从而得到分布均匀的导航星库。结果表明:该方法能有效减小星敏感器导航星库规模,实现导航星在全天球和局部天区的均匀分布。     

惯性敏感器与星敏感器之间在轨自主标定比较研究

惯性敏感器与星敏感器组合定姿是航天器高精度姿态确定的常用手段。通常将惯性敏感器的常值漂移作为扩展状态进行标定,而将星敏感器的常值偏差作为扩展状态进行估计也是可能的。本文对这两种方法的定姿精度进行了分析比较,给出了选用的准则。