空天飞行器惯性/天文组合导航关键技术研究

摘要

空天飞行器由于其特殊的飞行环境和飞行特性，对导航系统的自主性、可靠性和精度均提出了较高的要求。在轨飞行段作为空天飞行器飞行过程中执行各类飞行任务和飞行实验的关键阶段，飞行时间超长、飞行范围极大，保证此阶段导航信息的高自主、高可靠和高精度是十分必要的。目前，单纯依赖惯性导航系统难以满足该阶段导航精度需求，而惯性/卫星组合导航系统虽可提供高精度导航信息，但是其自主性有限，在实际作战过程中会因受到干扰而无法应用。为此，研究具有完全自主能力的空天飞行器导航系统显得尤为重要。本文结合空天飞行器在轨飞行段运动特性，开展了惯性/天文组合导航关键技术研究，以期提出适用于空天飞行器在轨飞行过程的高精度惯性/天文组合导航方案和算法，为空天飞行器的高精度自主导航系统实现提供理论基础。
　　针对空天飞行器在轨飞行过程中天文定位导航系统观星时变的特点，本文结合天文定位基本原理，建立了天文定位误差动态评价模型，以此为基础，分析了影响天文定位性能的各类误差因素，给出了判别天文定位性能优劣的误差权系数，研究了恒星几何构型对天文定位性能的影响规律，以此为依据设计了天文定位动态选星算法，有效提高了天文定位导航性能。
　　考虑到导航星变化同样对天文定姿性能存在影响，本文从天文定姿基本原理出发，采用协方差分析方法建立了天文定姿误差模型，给出了用于判断天文定姿性能优劣的误差权系数。重点针对天文定姿中的三星定姿方法，研究了动态观星过程中恒星四面体体积对天文定姿性能的影响规律，以此为依据设计了天文定姿动态选星算法，可有效提高天文定姿性能。
　　在上述研究基础上，为全面利用天文导航信息实现对惯性导航系统误差的高精度修正，本文研究提出了基于陀螺误差估计修正的惯性/天文全组合导航方案。设计了惯性坐标系下惯性/天文组合的陀螺误差估计修正方法，将实时估计得到的陀螺漂移误差反馈到地理系下惯性导航系统解算流程中，提高了地理系下姿态解算精度；在此基础上，进一步引入天文位置观测信息，根据所建立的天文位置误差动态评价模型，设计适应量测噪声时变的惯性/天文定位组合模块，实现了天文定位信息对地理系惯性导航系统误差的全面修正，有效提高了惯性/天文组合系统的综合性能。
　　由于空天飞行器高动态飞行的影响，实际导航系统的误差模型难以准确获得，本文进一步研究了基于鲁棒滤波的空天飞行器惯性/天文组合导航方法。基于H∞鲁棒滤波方法，构建了惯性/天文H∞滤波组合导航系统，研究了导航系统误差模型与滤波器设计模型存在差异情况下H∞滤波器的滤波性能，并通过数值仿真分析不同鲁棒滤波参数对导航性能的影响。
　　在研究空天飞行器惯性/天文组合导航算法的理论基础上，本文设计了基于STK/Matlab的惯性/天文组合导航仿真平台，通过对空天飞行器在轨飞行航迹、惯性导航系统、天文导航子系统等的模拟，为空天飞行器惯性/天文组合导航技术提供了验证平台。

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注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究目的与意义

1.4本文的内容安排

第二章 基于恒星几何构型分布的天文定位误差建模及误差特性研究

2.1 引言

2.2 天文定位导航系统误差建模

2.3 恒星几何构型对天文定位性能的影响分析

2.4 天文定位误差仿真分析

2.5本章小结

第三章 基于恒星几何构型分布的天文定姿误差建模及误差特性研究

3.1引言

3.2 天文定姿导航系统误差建模

3.3 恒星几何构型对天文定姿性能的影响分析

3.4天文定姿误差仿真分析

3.5本章小结

第四章 基于陀螺误差估计修正的空天飞行器惯性/天文位姿全组合导航研究

4.1 引言

4.2 基于陀螺误差估计修正的惯性/天文位姿组合总体方案设计

4.3 基于惯性系下惯性/天文姿态组合实现陀螺误差修正的方法

4.4 基于天文位置误差模型的惯性/天文定位组合模块

4.5惯性/天文位姿组合仿真分析

4.6 本章小结

第五章 基于H∞鲁棒滤波的空天飞行器惯性/天文组合导航方法

5.1引言

5.2 H∞滤波基本原理

5.3基于H∞鲁棒滤波的惯性/天文组合导航

5.4基于H∞鲁棒滤波的惯性/天文组合导航仿真分析

5.5本章小结

第六章 空天飞行器惯性/天文组合导航系统仿真平台研究

6.1引言

6.2空天飞行器惯性/天文组合导航仿真平台搭建

6.3 空天飞行器惯性/天文仿真平台性能验证

6.4本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 本文工作总结

7.2 后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文