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。     

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%。     

星光折射辅助惯性/天文紧组合高精度导航方法

为了解决传统惯性/天文(SINS/CNS)组合导航无法在线精确估计加速度计零偏而导致SINS导航误差发散的难题,提出了一种动力学模型约束改进的捷联惯性星光折射组合导航方法。直接利用星敏感器观测的原始恒星像点坐标信息与约束改进的SINS导航动力学方程构建SINS/CNS紧组合模型,通过推导加速度计虚拟观测方程和适用于空天跨域飞行器导航的星光折射测量方程,采用扩展卡尔曼滤波方法,实现了对加速度计零偏和陀螺零偏在线估计。典型弹道仿真结果表明,在不增添额外传感器的条件下,相对于传统的基于姿态测量SINS/CNS组合,所提方法导航定位、定速和定姿精度分别提升了97.84%、98.61%和78.70%;相对于传统的基于星光折射SINS/CNS组合,定位、定速和定姿精度分别提升了28.09%、67.72%和79.10%。所提方法有效克服了传统方法精度恶化问题,显著提升了传统SINS/CNS组合导航精度。     

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。     

一种小卫星高精度自主定轨/定姿一体化新方法

基于传统小卫星对轨道和姿态参数确定采用分别计算的复杂模式,提出了一种利用地磁场和天文信息同时确定卫星轨道和姿态参数的新方法。首先通过分析小卫星轨道动力学J2模型和卫星姿态动力学模型,建立系统状态方程。其次将三轴磁强计与地磁场模型参考值的矢量作差,分析微分差值与状态变量的数学关系,建立定位/定姿观测方程。利用星敏感器提供的高精度姿态信息,建立定姿观测方程,同时利用星敏感器间接敏感地平观测折射恒星,建立定位观测方程。最后提出基于信息融合的先进滤波算法,并通过对多种导航模式进行数值仿真及结果分析,论证所设计一体化方法提高了系统定轨/定姿的精度和可靠性。     

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。     

天文角度辅助的高超声速飞行器多信息融合导航算法

常规惯性/天文组合导航方法难以直接应用于高超声速飞行器机载环境下以载体系为基准进行星光测量的情况,且在可见星只有一颗时无法连续组合。为此,构建了高超声速飞行器惯性/卫星/天文紧组合导航系统方案,通过分析载体系下星光仰角、方位角与惯导误差之间的转换关系,建立了载体系下惯性/天文角度组合模型。理论分析表明,该系统在只有一颗导航星时仍能辅助惯导工作,且可使观测噪声特性保持稳定,从而提高了天文对惯导辅助的连续性和组合滤波估计精度。仿真结果表明,在高超声速飞行器导航系统采用天文角度辅助后,姿态误差较无天文辅助情况的降低60%~70%。     

基于伪地球坐标系的惯导系统全球导航算法

由于极区特殊的地理、电磁条件,惯性导航因其自主性和信息完备性使之成为极区导航的首选。然而在考虑全球执行能力时,现有常用的任何一种力学编排方案都不能单独的实现全球导航。通常采用组合编排的方式,这样则不利于惯导算法的全球统一。基于此提出了基于伪地球坐标系的全球导航算法。该方案在全球导航时可以实现惯导算法的内在统一,并可保证物理平台的平稳切换,从而实现平台惯导与捷联惯导系统编排方案的统一。另外,该方案也更方便同其它局部惯导系统进行交互通信,仅不同的参数转换单元是必需的。同时,简单的切换逻辑也可以减小程序设计的复杂度和降低计算机负担。最后通过仿真证明了该算法的可行性。     

基于惯导及水下声学辅助系统的AUV容错导航技术

由于GPS和无线电信号在水下衰减很快而无法使用,因此以惯性导航为核心,加以其它声学辅助导航设备的组合导航系统正适合水下航行器的使用环境。以捷联惯性系统/超短基线/多普勒测速仪/磁航向仪组合导航系统为研究对象,给出了联邦滤波结构,并利用?2残差检测法诊断出子系统的故障并进行系统重构从而不影响系统性能,最后对组合系统进行了仿真,成功检测出了超短基线系统定位故障并及时进行了隔离。姿态误差和速度误差在故障发生和消失时刻由于系统重构有轻微跳动,其它时刻均保持较高精度,当故障消失时位置误差又恢复到正常量级（5~10 m）。仿真结果表明,所提出的 SINS/水下声学辅助设备组合导航系统能够提供水下航行器精确的速度、姿态及位置信息,并能够正确及时检测并隔离故障。     

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。     

基于脉冲星导航系统的X射线探测器

X射线脉冲星导航中脉冲到达时间（TOA）是脉冲星导航系统中基本的测量量,其测量精度直接影响导航定位的精度。国内外对用于X射线脉冲星导航的探测器研究还处于探索阶段。通过比较不同类型探测器的特性,根据导航定位精度对探测器各项性能指标的要求,提出一种X射线探测器系统设计方案,为用于脉冲星导航的X射线探测器的研制提供一种参考。本方案用CCD作为探测器主体,整个探测器由光学结构、CCD及电子学系统组成。     

极区飞行法向量惯性导航算法原理

为克服经典力学编排方案在高纬度地区无法定位定向的问题,提出了以地球坐标系为导航坐标系的法向量惯性导航力学编排方案。该方案采用法向量代替传统的经纬度坐标表示水平位置,适合于全球范围内进行导航。推导了法向量导航误差方程,可用于组合导航算法设计,从而对惯导误差进行校正,满足全天候长航时的导航要求。通过仿真验证了法向量导航算法误差特性,证明了该方案可以满足飞机在极区飞行时的需要,解释了飞跃极点时导航定位误差跳变的原因。     

H调制陀螺监控高精度惯性导航系统

对于由单自由度液浮陀螺仪构成的平台式惯性导航系统,H调制陀螺监控技术可以同时对三个导航陀螺分别进行监控和漂移自补偿,它采用北向和方位H调制陀螺监控方案,在惯性平台台体上加装北向和方位监控陀螺,对北向和方位导航陀螺进行监控,实现误差自补偿。监控陀螺采取力反馈工作方式,其输入轴与相应导航陀螺的输入轴同向平行。通过改变监控陀螺电机的转速,使其周期性工作在不同的动量矩H值上,并保证不同H值之间监控陀螺调制漂移的稳定性。根据不同H值下的监控陀螺输出,即可解算出相应导航陀螺的漂移并随时加以补偿。经过室内试验、码头系泊试验和海上航行试验的考核,结果表明,H调制陀螺监控高精度惯性导航系统其定位误差最大值≤1.50 nmile/72 h,CEP≤0.90 nmile/72 h,系统重调周期可以延长至3～5昼夜。     

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%。     

INS/Doppler组合导航中安装偏角的在线估计

INS和Doppler在载机上安装时存在安装偏角,会对组合导航精度产生影响.为此,提出了一种新的INS/Doppler组合导航算法,将标度因数和安装偏角作为状态变量进行估计.在分析Doppler输出误差模型的基础上,详细推导了组合导航算法模型,并进行了仿真.仿真结果表明,在载机正常飞行并适当机动的情况下,该组合导航算法能够准确对标度因数和安装偏角进行估计,标度因数的估计精度为0.4‰,安装偏角的估计精度为0.1′-0.3′,从而提高了导航精度.     

基于证据推理的惯性/景象匹配组合导航方法

针对传统的惯性/景象匹配组合导航中出现的因误匹配导致组合导航精度低的问题,设计了一种基于证据推理的惯性/景象匹配组合导航方法。在惯性/景象匹配组合导航中,使用证据推理对与景象匹配置信度相关的特征量进行融合计算,将融合计算得到的综合信度作为组合导航量测更新的依据,以降低误匹配对导航精度的影响。试验结果表明该方法可行,组合导航精度相比传统方法提高了25.9%。     

舰船惯性导航系统海上无阻尼状态的校准

为满足装备高机动舰船的惯性导航系统海上重调的需求,设计了一种无阻尼状态下的校准方案,以保证惯性导航系统的续航导航精度。设计中采用卡尔曼滤波器估计系统误差和陀螺漂移,并利用残差检验方法进行故障检测与隔离。仿真分析和系统试验结果表明：无论载体在静态还是动态机动情况下,采用该方案进行校正后的系统精度都明显提高。该方案具有：滤波估计过程在无阻尼状态下进行,不受舰船运动状态的限制;分别估计陀螺常值漂移和随机漂移,隔离随机漂移对常值漂移量测的影响,精确补偿系统误差和陀螺常值漂移;以及在外参考信息源有误差干扰情况下仍能获得理想的校正效果等特点,具有重要的应用价值。