基于单探测器的X射线脉冲星深空导航算法

提出一种基于单探测器的X射线脉冲星深空导航算法.该算法利用单个X射线探测器在不同时刻的观测数据来构建观测模型,因此航天器不必搭载多个X射线探测器,大幅降低了X射线脉冲星深空导航系统的质量和功耗.针对不同的观测方案,利用线性化可观性分析方法对导航系统进行了可观性分析.分析结果表明,航天器应当分时段观测不同的脉冲星来提高导航性能.最后,给出了相应的仿真算例.仿真结果表明利用该算法能获得与传统算法相近的导航精度.      

首颗脉冲星导航试验卫星及其观测结果

2016年,中国成功发射全球首颗脉冲星导航专用试验卫星——X射线脉冲星导航1号(XPNAV-1)。该卫星是一颗重量为243 kg的小卫星,其主要任务是测试X射线探测器性能,观测典型脉冲星和尝试验证脉冲星导航系统体制。目前,XPNAV-1卫星在轨运行状态良好,已实施4颗典型X射线脉冲星和4颗X射线双星观测,以及相关科学试验。主要观测结果包括三个方面:首先,通过观测数据处理,获得X射线光子的流量、能谱分布、时间间隔、周期特征和脉冲轮廓等重要观测结果,并建立蟹状星云(Crab)脉冲星的计时模型,其计时精度达到55.14μs;其次,XPNAV-1卫星捕捉到Crab脉冲星于2017年11月发生的一次巨大周期跃变事件,并对其恢复过程进行了长达4个月的监测;最后,采用新提出的基于法平面几何约束的脉冲星自主导航算法得到轨道确定精度为38.4 km。结果表明XPNAV-1卫星空间飞行试验达到预期目标,初步验证了脉冲星导航系统体制的可行性。     

XNAV/UVNAV/SINS组合导航在航天器轨道机动中的应用

针对X射线脉冲星导航在航天器轨道机动过程中精度不高甚至发散的问题,提出一种将X射线脉冲星导航结合惯性导航和紫外敏感器的组合导航方法。以航天器在惯性系中的位置、速度、姿态四元数和惯性导航设备误差作为系统状态变量,用X射线探测器测量X射线脉冲到达时间,用紫外敏感器测量中心天体质心相对于航天器的方向矢量和距离以及航天器在惯性系中的姿态四元数,用扩展卡尔曼滤波器估计组合导航系统状态。仿真结果验证了该组合导航方法的可行性,能够解决轨道机动中X射线脉冲星单独导航的误差过大(位置误差达107m)问题,且该组合导航具有较高的导航精度,在轨道机动前、机动中和机动后导航位置误差均在100 m以内。     

UKF容错滤波在脉冲星组合导航中的应用

针对X射线脉冲星组合导航系统中测量野值导致的导航精度下降问题,利用基于残差正交性的Unscented Kalman Filter(UKF)容错滤波方法进行野值修正。在深空巡航段,采用基于X射线脉冲星和太阳观测的组合导航方式,用X射线探测器测量脉冲星光子到达时间,利用太阳敏感器测量太阳视线方向矢量,并利用联邦滤波结构进行信息融合。仿真结果表明,基于UKF的容错滤波算法在脉冲星组合导航系统的应用中,能够对野值进行实时修正,避免了导航精度下降,提高了系统的鲁棒性和工程实用价值。     

基于扩展卡尔曼滤波的X射线脉冲星相对导航方法

X射线脉冲星作为一种天然时间基准,具有良好的周期稳定性,在深空探测航天器自主导航方面具有重要的应用前景。针对绝对导航的整周模糊度求解问题和相对导航的预报相位、标称轨道存储问题,提出了一种改进的相对导航方法,将前一时刻的航天器位置作为相对导航基准,建立航天器轨道动力学模型,采用扩展卡尔曼滤波算法,确定航天器的位置。最后,进行了数学仿真研究,仿真结果表明:脉冲星相对导航改进方案的导航精度达到1 km,滤波器一致渐进稳定,能够快速抑制初始误差和轨道根数的干扰,验证了导航方案的正确性和可行性。     

基于脉冲星和小行星的组合导航在深空巡航段的应用

为提高航天器在深空探测巡航段的自主导航能力,提出一种利用脉冲星和小行星信息的自主导航系统.利用单X射线探测器测量脉冲星辐射的光子到达时间,利用导航相机获取小行星图像,经信号处理,获取脉冲星的脉冲到达时间和小行星中心点对应的像元像线,利用集中式扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计,并修正星载时钟钟差.以美国“深空一号”任务深空巡航段轨道为例进行了仿真实验,仿真结果表明了该方法的有效性,能够完成深空探测器在巡航段的自主导航任务,同时,组合导航解决了基于小行星光学信息单独导航时的星载时钟钟差发散问题,且同光学导航相比,位置估计精度提高了57.18％.     

基于记忆衰减滤波的X射线脉冲星自主导航

针对扩展Kalman滤波(Extend Kalman Filter, EKF)在处理X射线脉冲星的自主导航定轨问题上易发散的问题,本文提出了基于记忆衰减滤波的抑制发散自主导航算法。在研究了自主导航滤波中误差变化的特征的基础上,从原理上分析了预报误差随迭代次数增加而增大的原因。针对EKF存在的这一缺陷,本文应用记忆衰减滤波控制误差发散,推迟了误差发散的时间并减小了发散的幅值,使得滤波结果稳定于更精确的结果。本文的结论均通过数值计算的方法验证     

一种天文/加速度计的HEO卫星自主导航新方法

直接敏感地平是一种典型自主天文导航方法,该方法简单可靠,易于实现,但是由于常用卫星轨道动力学J2模型精度有限,地球敏感器精度较低,因此导航精度不高。加速度计是测量运载体线加速度的常用惯性导航设备,当卫星在轨运行时,星载加速度计能够测量航天器所受发散力。结合这两种方法的特点,提出一种将加速度计和天文相结合的自主天文导航新方法。在常用卫星轨道J2模型基础上,引入大气阻力和太阳光压系数模型作为自主导航系统状态方程的一部分,并建立近地空间环境下星载加速度计的测量模型,将其与直接敏感地平均作为导航系统观测方程。设计基于信息融合的自主导航滤波方法,通过对多种导航模式进行数值仿真及结果分析,结果表明所设计方法提高了系统定位精度74.8%和速度精度86.2%,增强了系统可靠性。     

一种基于加速度计和天文的卫星自主导航新方法

直接敏感地平是一种典型自主天文导航方法,该方法简单可靠,易于实现,但是由于常用卫星轨道动力学J2模型精度有限,地球敏感器精度较低,因此导航精度不高。加速度计是测量运载体线加速度的常用惯性导航设备,当航天器在轨运行时,星载加速度计能够测量航天器所受发散力。结合上述两种方法的特点,提出一种将加速度计和天文相结合的自主天文导航新方法。在常用卫星轨道动力学模型基础上,引入大气阻力和太阳光压系数模型作为自主导航系统状态方程的一部分,并建立近地空间环境下星载加速度计的测量模型,将其与直接敏感地平均作为导航系统观测方程。设计基于信息融合的自主导航滤波方法,通过对多种导航模式进行数值仿真及结果分析,结果表明所设计方法提高了系统定位精度62.8%和速度精度63.9%,增强了系统可靠性。     

考虑时间相关噪声的火星捕获段天文组合导航

针对火星捕获段高精度实时自主导航的需求,提出一种以火星及太阳为导航目标源的天文光学图像测角和天文光谱测速的组合自主导航滤波方法。针对天文组合导航系统中测量信息包含时间相关测量噪声的问题,首先分析时间相关噪声对状态估计过程的影响,然后建立考虑时间相关噪声的状态方程和量测方程,并分析和推导了改进的卡尔曼滤波器方程。仿真结果显示,同传统方法相比,所提出的滤波方法可将导航精度提高一个数量级,对火星探测器捕获段实时高精度自主导航具有一定的参考意义。     

巡航飞行器惯性/地磁组合导航方法的误差(英文)

地磁辅助导航是组合导航技术的新方向,而导航误差的研究是分析惯性/地磁组合导航性能的重要内容之一。以等高或近似等高飞行的巡航飞行器为应用对象,建立了惯性/地磁组合导航系统的卡尔曼滤波器;通过仿真结果并结合理论分析重点讨论了校正方式、惯性器件测量精度、地磁场特征与磁测误差、基准图的网格间距、滤波周期、初始位置与初始速度误差等各种因素对位置和速度等导航误差的影响。     

基于UWB优化配置的室内行人导航方法

在卫星信号无法覆盖的室内条件下,行人的精确导航问题是当前研究的热点。为解决基于MEMS的微惯性导航系统误差随时间发散、航向角发散快的问题,提出了一种利用UWB辅助修正惯性导航系统,实现室内较高精度定位的方法。该方法采用基于零速修正的微惯导系统进行导航,以抑制惯导误差随时间发散,并在建筑内拐角、楼梯口等关键节点处优化配置UWB设备,采用UWB信息与微惯导数据进行卡尔曼滤波,实现对微惯导航向及位置的修正。与大规模使用UWB系统进行室内定位相比,该方法降低了系统布设成本,避免了UWB出现问题时对整体导航结果的影响,有效地保证了系统的定位精度。行走实验表明:直线行走时,微惯导最终定位误差为1.8%;转弯行走时,在UWB辅助定位下,微惯导最终定位误差小于1.0%。     

INS/GPS组合导航系统的数据同步技术研究

指出在组合导航系统进行有效的信息融合之前，对来自不同导航传感器的数据进行同步化处理是非常重要的前提。对INS(惯性导航系统)和GPS构成的组合系统中的数据同步技术进行研究，提出了一种以GPS接收机输出的1PPS(每秒一个脉冲)作为参考时标，软硬件相结合的实时数据同步方法。实验结果表明：该方法能保证数据在融合点上准确同步。     

GPS/INS组合导航系统中的高斯粒子滤波混和算法

采用非线性滤波器的惯性组合导航系统中,非线性滤波器的精度和实时性直接决定了惯性组合导航系统的性能.计算量和精度之间的矛盾是制约粒子滤波在GPS/INS组合导航系统中应用的主要因素.在分析高斯粒子滤波算法原理的基础上,提出了一种高斯粒子滤波混和算法,对系统线性部分采用线性递推方式,对系统非线性部分采用非线性递推方式,从而提高高斯粒子滤波精度和实时性.针对GPS/INS组合导航系统,混和算法利用卡尔曼滤波的线性递推方式进行量测更新,仿真结果表明混和算法在较少粒子条件下,相对高斯粒子滤波算法精度提高20％,滤波时间降低40％.     

大椭圆轨道卫星天文/雷达高度计组合导航方法

为了实现大椭圆轨道卫星在整个轨道上的自主导航,提出了一种天文导航与雷达高度计测高相结合的组合导航方法。由于大椭圆轨道卫星在近地点动力学特性变化剧烈,单纯的以星光仰角为观测量的天文导航方法精度严重下降。雷达高度计能够直接获得高度测量,但是受其体积和功率的限制,测量范围仅为1000 km以下的高度。考虑到两种方法的特点,采用两种方法的组合导航方案,利用UKF滤波方法进行导航估计。当卫星进入近地点附近,其高度小于1000 km时,在天文导航中引入雷达高度计测量实现精确导航;当卫星在远地点时,则仅采用天文导航方法。仿真结果表明,所提出的组合导航方案,能够充分结合两种导航方法的特点,实现大椭圆轨道卫星自主、连续的导航信息输出,其导航精度较单纯的天文导航方法提高约68.9%。     

车辆动力学模型辅助的惯性导航系统

为提高车辆导航系统的精确度和可靠性,提出一种车辆动力学模型辅助惯性导航系统的方法。建立车辆非线性动力学模型,利用四阶龙格库塔法实时解算速度信息。以惯导误差方程为状态方程,动力学模型与惯性导航解算的速度差为观测量,设计了容积卡尔曼滤波器,并用估计的状态误差对惯导进行校正。仿真结果表明,所提出的利用车辆动力学模型辅助惯导的方法能有效抑制惯导误差的发散,位置精度和速度精度比纯惯导系统提高了一个数量级,航向角精度提高了73%。     

论混合式惯性导航系统

惯性导航系统是当代空、天、海、陆各类先进运载器所不可或缺的一项自主导航定位装备。简要回顾了平台式、捷联式以及旋转式惯导系统的发展历程和各自优缺点,在此基础上提出了集平台式、捷联式和旋转式惯导系统优点于一体的混合式惯导系统新技术途径。介绍了这种新型惯导系统的概念、原理、特点、关键技术,样机实验结果验证了该技术途径的优越性和可行性,为该系统的未来研发和应用提供了技术基础并指出了研究方向。     

INS/CNS/GPS组合导航系统仿真研究

研究了INS／CNS／GPS组合导航系统的原理和特点，对组合导航系统进行了计算机仿真，提出了采用平台失准角、INS与GPS的位置之差和速度之差作为观测量的方法。采用卡尔曼滤波技术，可以估计出平台的失准角、惯性器件误差及导航参数误差。仿真结果表明：通过校正惯导平台、消除导航参数误差，可以大大提高了系统的导航精度。