航空天文组合导航技术发展研究

阐述了航空机载天文/惯性组合导航的原理,突出了天文导航技术在远程长航时航空平台导航应用的优势。首先,介绍了机载天文/惯性组合导航技术的发展研究现状,并比较了国内外发展状态;其次,分析了机载天文组合导航技术的平台需求特点,总结了当前的技术挑战,探讨了未来的技术攻关方向和发展趋势。

月球车的惯性/天文组合导航新方法

我国月球探测二期工程将进行月面巡视探测任务,而月球车的导航和控制是任务完成的重要保障。月球车实现自主导航可以弥补地面测控的局限性,是目前亟待解决的关键技术。惯性导航和天文导航都是适用于月球车的自主导航方法,但惯性导航误差随时间积累,天文导航短时精度较低。为此,提出一种月球车自主惯性/天文组合导航新方法,通过天文导航不断对惯性导航进行校正,提高了导航的精度和可靠性。仿真结果表明,该惯性/天文组合导航方法的位置精度在25 m以内,可满足月球车长时间、长距离的高精度导航要求。

机载惯性/天文组合导航技术综述

分析了惯性/天文组合导航的基本原理。针对航空机载应用平台,介绍了国内外天文导航设备和惯性/天文组合导航系统的研究现状,分析了我国在该领域的技术差距,探讨了未来机载惯性/天文组合导航技术的发展方向。

惯性/天文组合导航中的时空坐标转换及其误差分析

针对惯性/天文组合导航中将天文传感器测量信息从天球坐标系到地球坐标系转换的问题,研究了其转换过程中涉及到的时间系统和坐标转换关系,前者包括世界时、地球时、太阳系质心力学时、原子时和协调世界时等时间概念,后者包括岁差、章动、视恒星时和极移等旋转变换。对坐标转换过程中小于0.1″的因素进行了忽略和近似简化,误差分析表明,除地球自转角的计算需要比较精确的UT1时间外,其他天文参数计算中的时间输入均可直接使用UTC时间代替。仿真结果显示,所提简化算法的转换精度达到了0.2″,满足角秒级的天文传感器测姿精度需求。

天文/惯性组合导航模式研究

简要分析了惯性导航及天文导航系统的工作原理和特点,根据以自主惯性导航为主发展的组合导航系统的方向,提出天文/惯性组合导航系统不同的组合模式,重点探讨了直接校正陀螺漂移的天文/惯性导航新的组合模式并进行理论分析。

高超声速飞行器惯性/天文鲁棒组合导航方法

对于高超声速飞行器而言,惯性/天文组合导航的应用将面临异常值干扰和噪声特性变化等问题,需要控制天文量测中异常值扰动的影响,从而提高对于可靠量测信息的利用效率。为此,研究了一种基于平衡因子的组合导航方法,采用鲁棒滤波方法进行惯性/天文组合导航系统的量测更新,将自适应滤波技术引入鲁棒滤波中,考虑到天文量测信息不同的噪声特性和水平,将自适应因子分解为姿态自适应因子和位置自适应因子,以平衡状态预测信息和天文测量信息的贡献。仿真结果表明,该方法可以显著提高高动态环境影响下的组合导航性能。

基于星敏感器的天文/惯导组合导航仿真研究

本文通过仿真实验,研究了基于星敏感器的天文/惯导组合导航系统的导航性能和特点。首先分析了天文导航的基本原理,并给出了天文/惯导组合导航算法的理论模型。在此基础上,建立了天文导航和捷联惯性导航的仿真模型,实现了天文/惯导组合导航系统仿真。仿真结果表明:基于星敏感器的天文/惯导组合导航能够有效抑制惯导的长时漂移累积误差,有利于实现机载远程长航时的高精度导航。

捷联惯导与星跟踪器组合导航算法研究

捷联惯导与小视场星跟踪器构成惯性/天文组合导航系统,核心思想是利用星体跟踪器的高精度测角信息设计滤波修正算法对捷联惯导的导航姿态、方位和位置误差进行滤波估计并修正,以限制捷联惯导系统导航误差随时间的发散,最终提高系统长航时导航的导航精度。在分析小视场星体跟踪器量测量与SINS导航误差之间关系的基础上,设计了两种不同的组合导航算法:位置+方位修正算法和误差角组合导航修正算法。在此基础上对两种算法的导航精度进行了理论分析,并通过长航时仿真飞行数据进行了仿真验证。结果表明:位置+方位修正算法不受载体的位置误差的影响,更适用于星体跟踪器间断工作的情况;误差角组合算法不受载体姿态误差的影响,更适用于SINS初始位置误差得到有效修正的情况。

基于凸优化技术的多目标鲁棒滤波组合导航方法(英文)

Kalman滤波在组合导航中的应用已很广泛,但是,在系统不确定情况下,误差出现发散,精度下降,采用的基于Riccati方程的H∞滤波技术对系统噪声的不确定性则具有一定的鲁棒性,但性能参数选取仅能凭经验而无系统的方法,给工程实践带来一定困难。根据现代控制理论最优控制理论思想,使用凸优化技术设计鲁棒混合H2/H∞滤波器融合高精度的GPS和CNS量测信息,解决系统不确定性问题,通过在惯性/卫星/天文组合系统中的半物理数据仿真进一步对混合H2/H∞滤波和H∞滤波算法进行了比较。仿真结果表明,真实器件噪声情况下,鲁棒混合H2/H∞滤波算法明显具有良好的精度。

天文导航技术的应用和发展

本文结合天文导航技术的特点，介绍了天文导航在航海、航天和航空领域的应用，重点针对天文导航不同的应用领域，探讨了舰船天文导航、航天器天文导航和惯性／天文组合导航技术在未来的发展趋势。

捷联惯导基于星体跟踪器的高精度初始对准算法

捷联惯导与小视场星体跟踪器构成惯性/天文组合导航系统,导航精度受导航初始误差和器件误差的综合影响。基于此,提出一种捷联惯导与小视场星体跟踪器相组合的初始对准算法,对导航初始姿态误差和惯性器件误差进行估计修正。捷联惯导初始对准过程完成之后,在地面准静基座条件下做速度和位置阻尼条件下的惯导更新解算,利用捷联惯导系统的速度误差量测及小视场星体跟踪器的导航误差角测量量,设计组合粗对准算法和组合精对准算法,用于对捷联惯导系统的初始对准误差和惯性器件误差做进一步有效估计。仿真结果表明:对中等精度导航级捷联惯导系统,组合对准后水平姿态精度可提高到2'',方位精度可提高到5''。

测星/调制综合控制技术研究

在天文/惯性组合导航系统中,当星体跟踪器集成安装在惯性测量组件上时,惯导调制过程与天文测星过程会存在冲突,多次测星后,会激励较大舒勒振荡,引起系统水平姿态误差变大。提出了一种测星/调制综合控制技术,将测星对称设计在双轴调制过程中,解决因测星不对称引起速度误差变大的问题。仿真结果表明,惯性水平基准舒勒振荡误差减少20%,验证了该方法的可行性和有效性。