基于粒子滤波的空天飞行器多源信息融合导航技术研究

摘要

空天飞行器由于其特殊的飞行任务和复杂的飞行环境，对导航系统的自主性、可靠性和导航精度均提出了很高的要求，以惯性/卫星/天文为基础的多源信息融合导航技术为实现空天飞行器高精度和高可靠导航提供了很好的基础。空天飞行器多源信息融合导航技术的核心在于信息融合方法，传统的扩展卡尔曼滤波算法可以很好地实现对多源异类导航传感器信息的融合，但在高动态环境下，其性能会由于对组合滤波模型的一阶线性化展开而蜕化甚至导致滤波发散；此外，考虑到导航传感器在高动态环境下也会出现误差的异常变化，如果不对出现异常的导航传感器输出数据进行故障检测，也将大大降低多源信息融合导航系统的性能。
　　考虑到单一的导航系统难以完全独立地为空天飞行器提供高精度的导航信息，为此，本文针对性开展了空天飞行器多源信息融合组合导航方案和算法的研究，为保证空天飞行器在发射主动段对导航高精度和高可靠性的要求，研究提出了基于粒子滤波的空天飞行器多源信息融合组合导航方案和算法，推导并建立了发射惯性系下的空天飞行器多源信息融合自主导航数学模型，从而为空天飞行器多源信息融合自主导航系统的实现提供了基本依据。
　　由于传统的扩展卡尔曼滤波算法存在一阶线性化近似和对噪声统计特性要求较高的情况，本文研究了基于粒子滤波的新型非线性滤波算法，并且构建了基于粒子滤波的空天飞行器惯性/GPS/星敏感器多源信息融合组合导航系统模型，以实现对发射惯性系下导航系统参数的动态估计，仿真结果表明采用粒子滤波算法较扩展卡尔曼滤波算法具有更高的导航精度，从而为空天飞行器组合导航系统非线性滤波算法的实现提供了理论支撑。
　　针对空天飞行器导航系统长时间运行会出现不可预知的传感器故障问题，本文分析了常见的故障检测算法，并着重研究了基于粒子滤波的似然函数故障检测算法和状态估计残差故障检测算法，研究结果表明这两种故障检测算法均可以灵敏地检测导航传感器故障，有效解决了多源信息融合导航系统中传感器的可靠接入问题，为保障空天飞行器长时间飞行所具备的高可靠性导航要求奠定了理论基础。
　　在研究基于粒子滤波的空天飞行器多源信息融合滤波算法和故障检测算法的基础上，设计了基于PC104嵌入式计算机实现的空天飞行器惯性/卫星/天文多源信息融合导航系统半物理仿真验证环境，并构建了相应的算法验证软硬件平台，对所设计的粒子滤波算法和故障检测算法性能进行了综合分析和验证，从而为本文所研究的多源信息融合组合导航滤波算法的工程化应用提供了有益的参考。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 空天飞行器和多源信息融合技术发展现状

1.3 粒子滤波理论研究和故障检测技术发展概述

1.4 论文研究的目的与意义

1.5 论文主要内容与章节安排

第二章 发射系下基于粒子滤波的多源信息融合导航总体方案设计

2.1 引言

2.2 发射系下基于粒子滤波的多源信息融合导航总体方案设计

2.3 发射系下捷联惯性导航算法研究

2.4 发射系下多源信息融合导航传感器分析与建模

2.5 本章小结

第三章 基于粒子滤波的多源信息融合导航非线性滤波算法研究

3.1 引言

3.2 粒子滤波基本算法研究

3.3 基于粒子滤波的多源信息融合导航系统设计

3.4 高斯粒子滤波算法研究

3.5 基于高斯粒子滤波的多源信息融合导航系统性能研究

3.6 本章小结

第四章 基于粒子滤波的多源信息融合导航故障检测算法研究

4.1 引言

4.2 基于粒子滤波的多源信息融合故障检测方案设计

4.3 基于粒子滤波的似然函数值故障检测算法研究

4.4 基于粒子滤波的残差平滑故障检测算法研究

4.5 基于粒子滤波的故障检测算法仿真和分析

4.6 本章小结

第五章 基于粒子滤波的多源信息融合导航半物理仿真平台研究

5.1 引言

5.2 多源信息融合半物理仿真系统总体方案设计

5.3 多源信息融合导航系统硬件总体实现

5.4 多源信息融合导航系统软件总体实现

5.5多源信息融合导航系统半物理仿真系统综合性能测试

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 进一步工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文