發(fā)布時(shí)間：2020-06-26 09:09

【摘要】：空天飛行器具有大空域、寬速域、飛行任務(wù)復(fù)雜的特點(diǎn),且在不同空域、速域下,導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)需求和可用性不盡相同,而現(xiàn)有導(dǎo)航方法應(yīng)用于空天飛行器對(duì)象時(shí),在精度、計(jì)算效率或可靠性方面尚存在一些不足之處。因此,需根據(jù)空天飛行器不同飛行階段的環(huán)境特性和運(yùn)動(dòng)特性,針對(duì)性地設(shè)計(jì)相應(yīng)的導(dǎo)航方法,以滿足空天飛行器對(duì)高性能導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。為此,本文根據(jù)空天飛行器再入段、末端能量管理段初期、在軌段三個(gè)典型階段的導(dǎo)航需求,分別從高動(dòng)態(tài)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法、慣性/衛(wèi)星大失準(zhǔn)角空中對(duì)準(zhǔn)方法、慣性/衛(wèi)星/天文組合導(dǎo)航方法幾個(gè)方面進(jìn)行了研究。針對(duì)空天飛行器再入時(shí)主要依靠慣導(dǎo),而傳統(tǒng)四元數(shù)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法在長(zhǎng)時(shí)間高動(dòng)態(tài)再入時(shí)精度較低的問(wèn)題,研究了基于對(duì)偶四元數(shù)的空天高動(dòng)態(tài)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法。在以地理系為導(dǎo)航坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了對(duì)偶四元數(shù)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法的導(dǎo)航微分方程和地理系導(dǎo)航參數(shù)解算公式,并進(jìn)一步研究了對(duì)偶四元數(shù)算法的優(yōu)化補(bǔ)償方法。最后,從理論分析和仿真驗(yàn)證兩個(gè)方面,分析驗(yàn)證了對(duì)偶四元數(shù)算法相比于傳統(tǒng)四元數(shù)捷聯(lián)慣導(dǎo)算法在高精度、大機(jī)動(dòng)環(huán)境下的優(yōu)越性。針對(duì)再入段主要依賴慣導(dǎo),導(dǎo)致末端能量管理段初期慣導(dǎo)處于大失準(zhǔn)角狀態(tài),而已有開環(huán)非線性空中對(duì)準(zhǔn)算法對(duì)準(zhǔn)效率較低的問(wèn)題,提出了基于對(duì)偶四元數(shù)的慣性/衛(wèi)星大失準(zhǔn)角空中對(duì)準(zhǔn)方法。通過(guò)推導(dǎo)對(duì)偶四元數(shù)導(dǎo)航非線性誤差方程,建立了慣性/衛(wèi)星非線性濾波模型,并研究了復(fù)雜加性噪聲下的簡(jiǎn)化UKF濾波算法。在分析對(duì)偶四元數(shù)導(dǎo)航非線性、線性濾波模型對(duì)空中對(duì)準(zhǔn)性能影響的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了UKF開環(huán)濾波與卡爾曼閉環(huán)濾波分段工作的空中對(duì)準(zhǔn)方法,有效提高了大失準(zhǔn)角空中對(duì)準(zhǔn)精度并減少濾波計(jì)算量。針對(duì)在軌段傳統(tǒng)慣性/衛(wèi)星/天文聯(lián)邦濾波在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間故障情況下,慣性/天文地理系姿態(tài)組合方法精度低,殘差卡方故障檢測(cè)方法無(wú)法判定故障結(jié)束時(shí)間的問(wèn)題,提出了基于對(duì)偶四元數(shù)的慣性/衛(wèi)星/天文改進(jìn)組合導(dǎo)航方法。利用可觀測(cè)性分析法對(duì)子濾波器進(jìn)行降維,設(shè)計(jì)了基于差異化局部模型的對(duì)偶四元數(shù)慣性/衛(wèi)星/天文改進(jìn)聯(lián)邦濾波器,在保障組合精度的同時(shí)減少濾波器計(jì)算量。其中,對(duì)偶四元數(shù)慣性/天文可直接在慣性系下實(shí)現(xiàn)姿態(tài)組合,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)慣性/天文組合缺陷。此外,采用對(duì)慣性器件誤差提前進(jìn)行在線標(biāo)定,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)故障期間進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?有效提升了殘差卡方故障檢測(cè)方法的工作性能。最后,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于STK/Matlab/RobotFramework的空天飛行器高性能導(dǎo)航方法仿真測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)易于維護(hù)和再次開發(fā),可仿真模擬高保真的空天飛行器飛行航跡,并自動(dòng)根據(jù)設(shè)定條件判斷仿真測(cè)試是否通過(guò),生成圖文并茂的仿真測(cè)試報(bào)告。利用該平臺(tái)分別對(duì)所提出的基于對(duì)偶四元數(shù)的空天高動(dòng)態(tài)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法、慣性/衛(wèi)星大失準(zhǔn)角空中對(duì)準(zhǔn)方法、慣性/衛(wèi)星/天文改進(jìn)組合導(dǎo)航方法進(jìn)行了仿真測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,所提出的相關(guān)方法相比于傳統(tǒng)算法性能得到了有效提升,為實(shí)現(xiàn)空天飛行器的全程高性能導(dǎo)航提供了新的方法參考。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V448;V249.3
【圖文】：

化、基于天基的 GPS/INS/Star Tracker 導(dǎo)航系統(tǒng)的民用和軍用衛(wèi)星制造商 EARSCAstrium 公司學(xué)陀螺，可以進(jìn)行精確的姿態(tài)和軌道確定[42]。慣性/衛(wèi)星/天文導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)些典型的應(yīng)用情況如表 1.1 所示。圖 1.1 為 X-配備的 LN-120G 系統(tǒng)。表 1.1 國(guó)外慣性/衛(wèi)星/天平臺(tái)類型 平臺(tái)機(jī)載平臺(tái)X-37B 空天飛RC-135 偵察B-2 遠(yuǎn)程轟彈載平臺(tái)RSM-54“深藍(lán)”“三叉戟�；�平臺(tái) 凱旋級(jí)彈道導(dǎo)

節(jié)采用 RobotFramework 對(duì)導(dǎo)航方法測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行導(dǎo)航方法性能評(píng)估。5.3.1 基于 STK/Matlab 的空天飛行器動(dòng)態(tài)航跡模擬仿真STK 軟件雖是航天領(lǐng)域領(lǐng)先的分析軟件，但其中并不包含空天飛行器運(yùn)動(dòng)模型，不能利用STK 軟件直接生成空天飛行器的飛行航跡，且由于空天飛行器在不同飛行階段具有不同的運(yùn)動(dòng)特性，其飛行動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜，單一運(yùn)動(dòng)模型并不能反映其真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，采用分階段參照 STK 中已有代表性運(yùn)動(dòng)模型的思想，并對(duì)其輔以適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)是比較合理的考慮。STK 中的衛(wèi)星模型可以為在軌段航跡設(shè)計(jì)提供模型參考，而飛機(jī)模型則可以為再入段航跡、末端能量管理段空中對(duì)準(zhǔn)航跡提供模型參考。1. 在軌段航跡模擬空天飛行器在軌段運(yùn)動(dòng)特性與衛(wèi)星等軌道飛行器的運(yùn)動(dòng)特性有一定程度的類似，因而可參考 STK 中的衛(wèi)星模型。以典型的空天飛行器 X-37B 的第一次試飛為例，美國(guó)空軍雖未詳細(xì)描述其太空軌道，但部分天文學(xué)家觀測(cè)到 X-37B 在發(fā)射后停留在傾角為 40°的近地圓形軌道，飛行軌道大約在地球上空 410km，約每 90min 繞地一圈[79]。據(jù)此可對(duì) STK 中“Satellite”（衛(wèi)星）模型進(jìn)行在軌參數(shù)設(shè)置。具體參數(shù)如表 5.3 所示，空天飛行器在軌段三維可視航跡如圖 5.4 所示

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 黃曉暉;徐國(guó)亮;劉劍威;;基于對(duì)偶四元數(shù)模型的SINS/GPS組合導(dǎo)航算法[J];指揮控制與仿真;2015年06期

2 譚勇;冉思詩(shī);;從X-37B成功著陸看空天飛機(jī)導(dǎo)航飛控系統(tǒng)[J];現(xiàn)代軍事;2015年01期

3 張衛(wèi);王宇寧;李勛;;空天飛機(jī)發(fā)展及其對(duì)策分析[J];國(guó)防科技;2014年06期

4 郭澤;繆玲娟;趙洪松;;一種改進(jìn)的強(qiáng)跟蹤UKF算法及其在SINS大方位失準(zhǔn)角初始對(duì)準(zhǔn)中的應(yīng)用[J];航空學(xué)報(bào);2014年01期

5 錢華明;孫龍;黃蔚;劉璇;;基于加性對(duì)偶四元數(shù)的慣性/天文組合導(dǎo)航算法[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2013年06期

6 張科;劉海鵬;李恒年;錢山;;SINS/GPS/CNS組合導(dǎo)航聯(lián)邦濾波算法[J];中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào);2013年02期

7 宋博;李高峰;;美國(guó)X-37B軌道試驗(yàn)飛行器的發(fā)展及分析[J];飛航導(dǎo)彈;2012年12期

8 張如飛;石曉榮;;軌道試驗(yàn)飛行器X-37B再入飛行關(guān)鍵技術(shù)[J];飛航導(dǎo)彈;2012年11期

9 晁濤;王松艷;楊明;;小型空天飛行器制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)方案[J];航天控制;2012年05期

10 邵慧;熊智;張丹;王融;;無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)空中對(duì)準(zhǔn)算法及性能仿真研究[J];計(jì)算機(jī)仿真;2012年07期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前8條

1 林愛(ài)軍;基于粒子濾波的空天飛行器多源信息融合導(dǎo)航技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

2 楊松錕;航天器運(yùn)載工具的發(fā)展歷程分析及展望[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

3 潘加亮;空天飛行器多源信息融合自主導(dǎo)航及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)研究[D];南京航空航天大學(xué);2015年

4 郭慧;基于對(duì)偶四元數(shù)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2015年

5 李貴珍;基于對(duì)偶四元數(shù)的捷聯(lián)慣導(dǎo)算法研究[D];中北大學(xué);2012年

6 陳亮;基于對(duì)偶四元數(shù)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

7 周邦大;基于SINS/BDS/CNS的高超聲速飛行器組合導(dǎo)航研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

8 朱威;捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)頻域與小波域內(nèi)導(dǎo)航算法研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2730117