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。     

基于飞行力学的惯导轨迹发生器及其在半实物仿真中的应用

讨论了在高超声速飞行器半实物仿真中,使用飞行器六自由度模型生成捷联惯导轨迹发生器的方案,使半实物仿真中的捷联惯导系统与飞行力学六自由度模型和飞行控制系统有机地融合到一起。介绍了六自由度模型的坐标系定义,描述了发射坐标系下由32个方程组成的高精度六自由度模型。指出了六自由度模型中惯性器件测量的比力和角速度理论值,比力和角速度是由飞行器飞控系统作用后所产生各种力和力矩的综合结果,而不同于传统轨迹发生器中由事先设定的速度和姿态变化而得。将发射坐标系下的导航信息推导到高超声速飞行器需求的当地水平导航坐标系下。数字仿真表明,提出的轨迹发生器满足高超声速飞行器半实物仿真的算法精度要求;半实物仿真表明,捷联惯导系统与六自由度模型、飞行控制系统能够有机结合,导航结果精度满足指标要求,支撑了高超声速飞行器飞控系统的性能指标评估。     

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.     

基于BP神经网络辅助的惯性/天文组合导航方法

针对高动态环境下惯性/天文组合导航精度下降的问题,提出一种基于神经网络辅助的惯性/天文组合导航方法。首先以组合导航滤波估计过程中的增益矩阵和动态环境下的惯性器件量测信息构建特征向量;然后,采用导航估计误差对BP神经网络进行训练;最后,利用BP神经网络的输出结果辅助修正组合导航系统。计算机仿真验证结果表明,相较于传统方法,基于BP神经网络辅助的惯性/天文组合导航系统的姿态估计精度可提高30%以上,在动态环境下姿态精度可以保持在5″(1σ)以内。所提出的方法对提高动态环境下惯性/天文组合导航系统的精度和适应能力具有一定的参考价值。     

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。     

星敏感器辅助的临近空间飞行器姿态匹配传递对准方法

为解决临近空间飞行器的精确、快速传递对准问题,提出了发射点惯性坐标系下基于星敏感器信息辅助的传递对准方案。根据星敏感器输出的不同形式的姿态信息,如利用TRIAD算法获得的姿态角信息或利用QUEST算法获得的姿态四元数信息,分别建立了基于平台失准角和基于加性四元数的非线性传递对准模型。针对非线性特性模型,采用UKF滤波算法进行了数学仿真。仿真结果表明,在2 s内,两种方案的姿态角误差均可以收敛到20"。仿真验证了两种算法的有效性,为临近空间飞行器的传递对准提供了参考。     

针对高动态载体应用的高精度捷联惯导姿态算法优化方法

提高高动态条件下捷联惯导姿态算法的解算精度和解算实时性是提高高精度捷联惯导系统实用性能的重要基础。特别是针对高超飞行器等高速高动态载体的高精度实时导航需求,需要采用较高的惯性器件采样率,以提高高动态条件下的姿态解算精度。由于传统捷联指北姿态算法中器件采样率的增加会导致算法运算量的大幅增加,影响算法的实时性。基于此,提出了基于捷联算法优化编排原理的双速姿态解算方法和工程实现编排方法。该方法在增加惯性器件采样率的同时并不会显著增加计算量,能有效满足高速高动态载体的实时性导航解算需求。仿真试验结果表明,在高动态仿真条件下,双速优化姿态编排算法与传统指北算法相比,更能有效满足高动态下捷联惯导算法的实时性和高精度解算要求。     

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。     

一种大角加速度下的星跟踪算法

在飞行器大角加速度机动情况下,星敏感器星跟踪算法预测坐标的偏差变大导致星点扫描范围变大,星点识别时间变长,数据更新率降低,为此提出了一种采用联合星敏感器和陀螺信息预测星像坐标的星跟踪算法.该方法首先由组合导航输出的上一时刻的姿态数据和一个周期内修正后的陀螺数据积分推算下一时刻的飞行器姿态,然后通过坐标转换计算出已知恒星下一时刻在星敏感器坐标系上的星图坐标.理论分析和仿真结果表明,该方法飞行器最大角加速度30(°)/s2,最大角速度30(°)/s的情况下,预测星敏感器视场内恒星的星像坐标的偏差在10个像素以内,可使星图扫描和星点匹配快速完成,提高星敏感器的工作效率.     

基于分布式合成双射流的飞行器无舵面三轴姿态控制飞行试验

将自主可控的合成双射流激励器集成于常规布局飞行器中, 进行了三轴无舵面控制飞行试验, 验证了分布式合成双射流对飞行器巡航时的无舵面姿态调控能力. 对合成双射流激励器进行改进, 设计了分布式三轴姿态控制合成双射流激励器, 滚转环量控制激励器分别安装于两侧机翼翼尖处后缘, 射流出口靠近压力面; 偏航反向合成双射流控制激励器分别安装于靠近两侧机翼翼尖20%弦长处, 上、下沿展向均匀布置; 俯仰环量控制激励器安装于V尾下的平尾后缘, 射流出口靠近压力面. 针对巡航速度为30 m/s的飞行器, 进行了三轴姿态控制飞行试验, 结果表明: 分布式合成双射流实现了飞行器巡航时的三轴无舵面姿态操控; 横航向控制存在耦合, 滚转环量控制激励器实现了飞行器的双向滚转操控, 能产生的最大滚转角速度达16.87°/s, 偏航反向合成双射流控制激励器实现了飞行器的双向偏航操控, 能产生的最大偏航角速度达9.09°/s; 俯仰环量控制激励器实现了飞行器的纵向控制, 能产生的最大俯仰角速度达7.68°/s.