GPS/SINS组合导航系统在运载火箭中的应用

针对运载火箭特点,着重研究在发射惯性坐标系下,位置、速度组合模式的GPS/SINS组合导航算法,推导了该坐标系下的惯导一阶误差传播方程,建立了该坐标系下GPS/SINS组合导航系统的状态方程和观测方程,并进行了相关数学仿真验证。仿真结果表明,在该坐标系中,GPS/SINS组合导航算法能较准确地给出运载火箭的位置、速度和姿态信息,提高运载火箭制导精度。     

考虑防御系统延迟使其预测误差最大的突防弹道设计

对中段多脉冲机动突防弹道的设计问题进行了研究。采用的原理与方法有别于成熟的航天器多脉冲变轨,而是基于路径规划的思想对弹道设计问题简化。考虑敌方防御系统延迟,改进多脉冲点火模型,并基于变射面的思想对关机点参数进行了设计及优化。然后,从使敌方预测误差最大的角度提出评价函数,并利用遗传算法进行优化。最后,给出了一种同时满足导弹机动突防与打击精度要求的多脉冲弹道设计方法。从模型的可行性,方法的有效性、灵活性、迭代效率及精度等方面进行了仿真验证分析。在PC机仿真中,20 s内就设计出一条保证打击精度的中段突防弹道。结果表明,建立的模型是可行的,提出的突防弹道设计方法是快速有效的。     

亚轨道可重复使用飞行器轨迹/总体参数一体化优化方法

针对亚轨道可重复使用运载器(SRLV)的应用需求,在将卫星投送到预定轨道同时确保SRLV安全返回的前提下,对基于记忆原理的轨迹/总体参数一体化优化方法进行了研究。记忆优化算法是一种具有全局收敛性的随机搜索方法,每次搜索的试探解优劣状态由记忆元来存储。利用记忆原理的记忆增强和遗忘规律来衡量优化搜索过程中试探解的状态,并以燃料最省作为优化指标。同时采用三种不同的搜索策略,实现对试探解的随机搜索,避免陷入局部极小问题,并以此来提高搜索速度。仿真表明:卫星入轨速度偏差小于2 m/s,高度偏差小于10 m,轨道倾角偏差小于0.000 1°。SRLV最终与着陆场的位置偏差小于100 m,速度偏差小于5 m/s。相较于传统的轨迹优化方法,新方法适用于复杂的轨迹/参数一体化优化问题,搜索速度快,求解精度高,有利于算法在工程实际中的应用与推广。     

基于RRT-GPM两阶策略的导弹编队协同突防最优轨迹快速设计

为了提高导弹编队的自主飞行能力,在考虑弹间协同相对运动关系(通信、避碰、探测)和突防硬/软约束的情况下,对弹群的多约束快速轨迹优化问题进行了研究。针对高斯伪谱法初值确定困难和快速搜索随机树法结果曲折不寻优难以满足动力学约束的不足,通过对高斯伪谱法快速性的分析和初值选取方法的研究,提出了快速搜索随机树+高斯伪谱法两阶快速轨迹优化策略,充分利用快速搜索随机树法的全空间搜索能力为高斯伪谱法提供寻优初始值,同时利用高斯伪谱法的快速性和最优性对快速搜索随机树法的结果进行平滑和进一步寻优,从而快速获得最优的弹群飞行轨迹。领-从弹编队飞行模式下的仿真结果表明,两阶策略能够快速获得满足各种约束的弹群最优飞行轨迹,优化时间约为单独高斯伪谱法所需时间的20%左右,很大程度上提高了轨迹优化的快速性和准确性,并且证明了不同约束条件对优化速度和优化结果的影响。     

可重复使用运载器大姿态机动自抗扰控制

针对可重复使用运载器大俯仰角或偏航角转弯机动而产生的姿态角奇异的控制问题,提出了基于四元数的自抗扰控制方法。通过两级跟踪微分器从期望四元数中逐步得到三通道解耦的角加速度信号,然后利用扩张状态观测器观测模型中的不确定项,最终采用动态逆得到解耦的三通道发动机等效摆角或RCS(Reaction Control System)等控制信号,并设计了数字滤波器对弹性振动与液体晃动信号进行滤波处理。考虑到系统模型具有非线性、不确定性、11阶弹性振动、一阶液体晃动、风干扰和气动偏差等多种外部扰动条件,对可重复使用运载器从主动段到再入飞行段进行了非线性六自由度仿真分析。仿真结果表明,基于四元数的自抗扰姿态控制器具有快速、平稳、超调量小、抗干扰能力强、无系统抖振且控制参数较少的特点。     

GNSS辅助捷联惯导行进间对准自适应滤波方法

针对车载武器系统快速发射需求,提出一种基于GNSS辅助的捷联惯导行进间对准自适应滤波方法。该方法把行进间传递对准分为粗对准与精对准两个阶段。粗对准阶段以GNSS为观测基准完成对捷联惯导姿态的粗捕获,降低初始偏差不确定性对于精对准阶段的影响。在精对准阶段,考虑到车载系统的运动特性,提出一种"水平+方位"行进间对准双滤波器并行的设计思路,利用车载系统在不同时间段的动力学特性,对三轴姿态估计进行分时解耦,实现初始姿态的高精度估计;与此同时,引入协方差成形自适应调节过程,以最小化Frobenius范数为优化指标,实现对行进间对准卡尔曼滤波器的自适应调节,增强系统鲁棒性。数值仿真表明,协方差成形自适应卡尔曼滤波方法能够有效保证系统在全运动剖面内的稳定,结合双滤波器并行方案能够有效解决行进间对准精度不高与稳定性欠佳等问题,水平对准精度优于1.5′(1σ),方位对准精度优于6′(1σ)。     

基于hp自适应伪谱法的组合动力可重复使用运载器轨迹优化

针对传统化学火箭难以重复使用、发射成本高的问题,提出了一种水平起飞/降落的新一代可重复使用运载器飞行方案,并对其动力模式设计和上升段轨迹优化方法等关键技术进行深入研究。设计了一种涡轮\冲压发动机结合火箭\冲压发动机的组合动力模式,建立了发动机推力与高度、马赫数等变量间的耦合模型,根据动力形式将上升段轨迹分为两段并采用全局搜索法确定动力切换的最佳时机。根据分段结果,分别以燃料最省和终端速度最大为指标,利用hp自适应伪谱法对两段进行轨迹优化设计。该算法基于双层策略求解最优控制问题,兼备伪谱法和有限元法的优点,与打靶法、伪谱法和间接法相比,初值更易选取,收敛速度更快。     

一种动基座传递对准算法性能评估的工程方法

在东北天地理坐标系下,推导了捷联惯导动基座传递对准模型.在此基础上,提出了一种在不具备精确标定设备的试验条件下,进行动基座传递对准算法性能评估的工程方法.该方法基于安装误差角滤波估计结果,对子惯导的初始姿态进行修正,并重新进行子惯导的导航解算;通过比较初始姿态修正前后子惯导的导航误差,对传递对准算法的性能进行定性分析.基于试验数据的处理结果表明,所建立的对准模型和采用的对准算法性能评估方法具有重要的工程应用价值.     

火箭上面级星敏感器/陀螺组合定姿实时仿真系统

针对运载火箭上面级惯性导航设备提供的姿态信息随时间累积而误差逐渐增大的问题,提出了基于扩展卡尔曼滤波的星敏感器/陀螺组合姿态确定算法,并为加快工程样机研制设计了基于Matlab/dSPACE平台的实时仿真系统。基于地心第二轨道坐标系和上面级体坐标系,给出了姿态角定义,推导了姿态转换矩阵。通过分析组合定姿方案和姿态状态估计方法,设计了基于误差四元数的滤波器;为减少算法的计算量,采用了离线计算次优增益矩阵的方法。进行了星敏感器在回路中的半实物仿真。仿真结果表明组合定姿精度优于50″,且能够准确估计陀螺常值漂移。该算法精度高,速度快,实时仿真系统具有很好的参考和应用价值。     

基于微小型传感器的惯性/卫星/天文组合导航方法

为了实现基于微小型传感器的高精度导航,针对微小型导航传感器精度相对较低、误差相对较大的特点,对微小型惯性测量单元(MIMU)、微GPS卫星接收机、微小型星敏感器的测量误差进行了建模与分析;对多传感器的导航信息进行分散化处理,采用卡尔曼滤波进行局部估计;提出了基于部分信息融合的联邦滤波算法进行全局融合;并给出了利用全局融合结果对MIMU导航误差进行输出校正的算法.仿真结果表明,该组合导航方法能够利用微小型传感器实现较高精度的导航定位.