柱面坐标系下航天器仅测角相对导航算法

针对采用星载无源光学相机实现对空间非合作目标的相对导航时轨道状态不可观测/弱可观测的问题,研究了基于柱面坐标系相对运动动力学模型的仅测角相对导航算法。首先,在柱面坐标系下建立了三维的相对轨道运动动力学模型和视线角测量模型;然后,基于该模型进行了仅测角相对导航的状态可观测性分析,定性地获得了相对轨道状态可观测性更佳的几何条件;接着,为了解决强非线性模型的估计问题,建立了基于平方根容积卡尔曼滤波的仅测角相对导航估计算法及长航时导航滤波方案;最后,对所提算法进行了数值仿真实验验证。仿真结果表明柱面系下动力学模型的轨道曲率捕获能力强,能够为仅测角相对导航提供足够可观测性,相对轨道估计误差可收敛至公里级,能够满足中远程空间态势感知、交会的精度要求。     

基于自适应均方根EKF的惯性辅助航天器仅测角导航方法

针对微小卫星等航天器对空间非合作目标交会操作中的自主相对导航问题,提出了一种基于自适应均方根EKF的惯性辅助航天器仅测角导航方法。首先,推导了一种基于Clohessy-Wiltshire (CW)方程的仅测角导航模型。然后,基于误差状态推导了一种仅测角/惯性组合相对导航模型。接着,基于Cholesky分解得到组合导航系统的状态协方差矩阵,并引入“新息”协方差匹配方法对测量噪声进行在线自适应调整,构建了一种自适应均方根EKF对该组合导航系统状态进行动态滤波估计,并采用Fisher信息矩阵对该组合导航系统的可观性进行评估。最后,在搭建的半物理仿真平台上进行了仿真验证,得出终端时刻采用自适应均方根EKF比EKF的迹向滤波精度平均提高了35%,径向和法向滤波精度平均提高了25%。     

基于可观测性分析的光纤陀螺SINS/测速仪组合系统技术

为了简化求可观测度的过程,便于导航时利用状态变量可观测性分析结果进行姿态解算。在仔细研究了分段定常系统(PWCS)的可观测性分析方法,以及基于奇异值分解的系统状态可观测度分析方法的基础上,提出了一种改进的状态可观测性分析方法,该方法在求可观测度时,不需要量测值,利用可观测性矩阵奇异值分解后的V阵即可进行可观测性分析;利用该理论得到的结果,在SINS/测速仪组合导航解算过程中只对可观测度好的俯仰角误差和横滚角误差进行反馈校正,不反馈可观测度较差的航向角误差,仿真结果证明,这种有选择的反馈校正方法可以保证姿态角在导航开始几秒钟内就快速收敛。     

单测角相对导航的相对距离重构新算法

针对空间非合作目标中远程交会的单测角相对导航技术中核心的相对距离重构问题,首次提出了一种基于初值辅助的CCD相对测角/GPS绝对定位的相对距离重构新算法。首先在分析传统重构方法数学本质和优缺点的基础上,以余弦定理为基础,结合GPS历元差分建立了相对距离重构算法模型,然后对该算法的重构误差进行了理论推导和仿真分析。最后对两种工况下相对距离的重构进行了数值仿真。仿真结果表明该算法能够较为精确的重构出相对距离,重构精度取决于辅助初值的精度。因此,该算法具有重要的研究意义和应用价值。     

基于惯导姿态信息的高鲁棒性星图识别算法

为提高组合导航条件下星图识别的速度和鲁棒性,提出了基于惯导姿态信息估计星敏感器光轴指向和观测瞬时导航星表的方法,将瞬时导航星表与"金字塔"星图识别算法结合,剔除了角距满足观测星对但位置远离光轴的导航星对,减少了识别时相应观测星的导航星候选结果,提高了识别的速度和鲁棒性.对光轴指向误差为10°的情况进行了仿真,结果表明:当星位置误差小于50"时算法可以识别只包含2颗导航星的星图,当星位置误差小于250"时算法的识别率接近90%;平均识别时间约为27 ms.仿真结果说明算法在星位置误差较大时具有优势.     

足绑式行人导航偏航角误差自观测算法（英文）

基于低成本MEMS惯性传感器的足绑式惯性导航系统(INS)和零速修正(ZUPT)算法广泛应用于行人导航中。由于MEMS惯性传感器零漂误差较大,零速修正时偏航角误差的可观测性差,INS偏航角误差不能被有效约束,成为行人导航的主要误差源。行人徒步行走特别是在室内楼道等结构化道路上行走时,行走的轨迹大多情况下可认为是近似直线,基于这个事实,提出了一种减小偏航角误差的算法,称为偏航角误差自观测(YESO)算法。当判定行人以近似直线徒步行走时,由行走轨迹计算出的航向角可近似认为是一个常值,那么由于各种误差引起该航向角发生变化时,可以将该变化量作为足绑式INS偏航角误差的观测量,进一步可利用卡尔曼滤波器估计出偏航角误差,对足绑式INS的偏航角进行校准。在室内楼道进行了约350 m的现场实验,实验验证了YESO算法的有效性。实验结果表明,当分别采用ZUPT和ZUPT+YSEO算法进行导航解算时,航向角误差从-29°减小到-2°,南北向最大位置误差从-35.5 m减小到-5.2 m。YESO算法的实现仅依靠系统自身的信息,没有增加额外的传感器,算法具有很好的工程实用价值并能方便地推广应用于车辆导航等领域。     

天文观测角辅助的高超声速飞行器传递对准方法

针对复杂环境下高超声速飞行器的可靠、精确和快速的传递对准需求,提出了一种基于星敏感器天文观测角(高度角、方位角)的传递对准算法。以发射点惯性坐标系为导航系,分析了惯导系统在惯性系下的误差方程,提出了大失准角情况下的基于星敏感器天文高度角、方位角匹配的对准算法。针对该系统状态方程和量测方程的非线性特性,采用UKF滤波算法进行了仿真。仿真结果表明:观测星数达到两颗时,该方案可以在2 s内使得姿态角的估计误差达到13″。仿真验证了该算法的有效性,对其他高空飞行器的传递对准有一定参考价值。     

基于立体视觉的相对姿态确定算法可观性分析

针对基于立体视觉的相对姿态确定算法无法正确估计出陀螺误差这一问题,分析了该算法中各个状态的可观性.首先,根据相对姿态误差方程和立体视觉测量方程建立滤波器模型.其次通过选取不同变量作为误差方程的状态,确定了系统中的不可观子空间.进而对系统的结构分解揭示出,该相对姿态确定算法仅能估计出主从星之间的相对姿态和其陀螺误差的线性组合这一结论.从系统结构分解的分析中还可以看出,当立体视觉系统测得的特征点大于两个以上时,增加特征点个数对提高陀螺误差的可观测性是没有帮助的.最终的仿真结果证明了论述的正确性.     

地磁/天文自主导航算法

针对基于轨道动力学方程的天文导航方法的局限性问题,提出了一种利用天文/地磁信息进行飞行器自主导航的方法,建立了适用于一般飞行器的动力学方程,并推导了系统的观测方程。算法采用地磁/星光矢量间的夹角作为观测值,采用扩展卡尔曼滤波方法估计飞行器的位置和速度。应用奇异值分解的方法对系统的可观测性与可观测度进行了分析。仿真结果表明该算法的导航精度较高,滤波收敛性、稳定性较好,误差不随时间累积。可用于惯性导航的辅助导航或对导航精度要求一般的场合。     

地球静止轨道远程交会过程导航性能评估

远程交会是静止轨道共位卫星自主定点置入的关键途径。针对远程交会过程中大距离跨度下相对运动模型的误差信号特性,理论推导了误差的传递机理,给出了相对导航EKF算法期望及噪声特性的定量分析模型。研究表明,确定距离区间存在最优过程噪声量级及其对应的最优滤波性能,且滤波误差与交会距离正相关,可作为全局最优滤波器的定量设计依据,解决了静止轨道远程交会过程EKF导航算法性能的量化评估问题。仿真表明,分析结论正确,相对速度滤波误差全程优于0.005 m/s(1σ),满足交会任务需求。     

一种新的INS/GPS组合导航技术

基于GPS测姿技术的发展,研究了以位置、速度和姿态信息作为观测量的INS／GPS组合导航系统的卡尔曼滤波算法。详细推导了这种组合方式的观测方程,并将该组合技术应用于某飞行器。仿真表明,增加姿态信息作为观测量可有效地提高系统导航参数的估计精度和速度。     

空天飞行器SINS/CNS深组合导航算法(英文)

空天飞行器往返于大气层内外,持续工作时间长。捷联惯性/天文组合导航自主性强、隐蔽性好,是最适合空天飞行器的导航方式之一。为提高传统天文定位的导航精度和可靠性,解决其在机载应用中水平基准制约的问题,分析了平台误差角和位置误差对高度角量测的影响,提出了一种以天体高度角为量测信息的捷联惯性/天文深组合导航算法。该算法采用卡尔曼滤波器进行最优估计,可有效估计并补偿系统的姿态误差,减少天文导航定位对水平基准的依赖。仿真表明,单星观测条件下,导航系统姿态误差快速收敛,定位的均方根误差在200 m以内,且系统导航性能随导航星数量的增加而提高。     

基于局部可观测性分析的惯性平台连续自标定路径优化设计

针对惯性平台连续自标定的标定路径优化设计问题,提出了一种基于局部可观测性分析的优化设计方法。首先基于局部可观测性的定义和分段定常系统(PWCS)理论推导了一类非线性时变系统的局部可观测条件,在此基础上,定义了系统状态量的相对可观测度。对连续自标定系统的状态空间方程进行局部线性化和离散化后,对其系统局部可观测性和状态量相对可观测度进行分析,并以系统状态量相对可观测度最大为原则,对惯性平台连续自标定的标定路径进行了优化设计。仿真结果表明,优化设计的自标定路径能够以优于0.7%的相对误差标定出所有的平台误差系数,具有一定的实际应用价值。     

超宽带测距辅助的无人机近距离相对导航方法

针对无人机之间的相对导航问题,提出了一种基于超宽带/相对差分的相对导航方法,基于伪距测量和超宽带测量的特征,给出了无人机之间的双差、双差变化率、超宽带测距测速以及双机定位数据做差的量测方程,并根据近距离编队跟随飞行的场景设计了相对导航状态方程,结合扩展卡尔曼滤波器对相对状态进行估计,最后针对不同的相对导航配置和卫星可用情况进行了仿真。仿真结果表明,该方案的相对导航精度明显优于仅采用一种相对测量量的效果,且在可用导航卫星越少的情况下精度提升越明显,在仅有4颗可用星的情况下,X、Y、Z三个方向(地心地固系)的相对导航均方根误差分别降低了3.2、13.06、2.01倍。该方法可有效提升编队飞行等多无人机应用场景下的相对导航精度。     

基于高斯粒子滤波与消息传递的协同导航方法

针对无人机群协同导航问题,提出了因子图框架下基于高斯粒子滤波和消息传递算法的无人机 群协同导航方法。所提方法利用因子图描述无人机群导航状态与自身量测以及相对导航信息之间的关 系,并通过高斯粒子滤波实现因子图中节点之间的消息传递,完成无人机群导航状态的最大后验概率 估计。仿真结果表明所提出的方法实现了机载多源传感信息与相对导航信息的有效融合,定位精度相 比于基于因子图和粒子化消息传递的混合和积算法（H-SPAWN）提高 50%以上。     

基于公共星检验的改进球面多边形搜索星图识别算法

为了实现多视场星敏感器的快速星图识别,针对球面多边形搜索星图识别算法面临单个星对角距匹配无法实现观测星与导航星一一对应造成计算量增加问题,提出了基于公共星检验的改进球面多边形搜索星图识别算法。使用三颗观测星形成的其中两个星对进行角距匹配,并基于两观测星对的公共星连接条件,实现了角距匹配中错误星对结果的剔除,以及匹配星对中观测星与导航星的一一对应,减少了算法计算量;同时,在验证匹配星对时另选三颗观测星之外的一颗观测星,间接实现了四星模式验证,提高了改进算法的识别率。仿真结果表明,改进算法的识别速度和识别率要明显高于原算法,且在星像位置误差为0.1⁰.5像素时,改进算法的平均识别时间约为原算法的1/10。     

一种弹道导弹捷联惯导/地磁组合导航方法

基于惯性器件和磁强计的测量信息,提出一种弹道导弹捷联惯导/地磁组合导航方法。以捷联惯导误差方程为基础建立系统的状态模型,以磁强计测量值与根据地磁场模型计算的地磁场强度值之差作为量测,只用一个观测表达式即同时包含载体的位置及姿态信息。引入状态反馈,利用混合校正的卡尔曼滤波得到系统导航信息的最优估计。仿真结果表明,该算法能有效抑制捷联解算误差的发散,磁强计精度为100 nT时,定位精度2.68 km,姿态精度优于5′。该导航方法完全自主,精度较高,具有一定工程应用价值。     

一种基于降维对偶四元数的多源导航系统信息融合方法

以陆用载体为研究背景,提出了一种基于降维对偶四元数的多源导航系统信息融合方法。以SINS作为公共参考系统,在分别获得推力、引力及位置对偶四元数误差方程基础上,搭建SINS/GPS/地磁的降维联邦Kalman滤波器模型。一方面,结合载体匀速、加速、转弯、爬坡四种运动状态,利用奇异值分解对系统状态量进行可观测性分析;另一方面,开展该降维对偶四元数导航框架下的惯性/GPS、惯性/地磁子滤波器分级设计,以获得最佳状态维数与导航解算效率。仿真与实验结果表明,降维后的组合导航系统计算量仅为全状态的3.34%,且参数估算结果的"解的集中性"更好。     

基于Unscented Kalman滤波的飞行器天文/地磁自主导航算法研究(英文)

针对地磁场模型精度低而引起的导航精度不高及基于轨道动力学方程的天文导航算法的局限性问题,提出了一种利用天文/地磁信息为观测量的飞行器自主导航方法,并建立了动力学方程,同时推导了观测方程。算法采用星光矢量与地磁矢量的夹角为观测量,采用UKF滤波器估计飞行器的速度和位置,并进行了仿真研究。仿真结果表明,该算法的精度要远高于单纯的地磁导航,滤波的收敛性和稳定性较好,导航误差不随时间累积,有工程应用价值。     

基于雷达测距与角位置辅助的SINS空中对准方法

针对卫星导航受限条件下捷联惯性导航系统(SINS)空中初始对准问题,提出了一种基于雷达测量斜距-角位置匹配模型。推导了传统雷达位置匹配模型方案量测线性化过程,说明了线性化后量测噪声统计特性随斜距变化的缺陷,同时提出直接采用雷达测量的距离和角位置作为量测信息的对准方案。根据雷达与飞行器之间的相对位置关系,建立了雷达斜距与角位置信息辅助的捷联惯性导航系统初始对准量测方程,利用无迹卡尔曼滤波器(UKF)解决了量测方程非线性问题。最后通过200次蒙特卡洛分析仿真验证了算法的可行性,斜距大于50 km条件下,300 s时航向对准误差角统计均值为?0.0289°,统计标准差为0.0377°,同时有较高的水平对准精度,且明显优于传统位置匹配对准方案。