高超巡航飞行器组合导航系统研究与算法验证

摘要

高超音速巡航飞行器（Hypersonic Cruise Vehicle，简称HSCV或HCV）是21世纪航空航天技术领域的战略制高点。高超音速巡航飞行器具有速度快、突防能力强等特点，成为当今世界军事强国关注的重要战略发展方向。而HCV的“眼睛”——导航系统，是HCV发挥其威力的关键所在。本文针对高超音速巡航飞行器组合导航方案，模型和算法进行了研究。通过实验，验证了算法的可靠性和精度等要求。 分析各国的高超音速飞行器的研究状况。首先以美国X-43A高超音速飞行器第二次试验飞行的弹道为主要参考，对飞行任务进行了规划，模拟高超音速巡航飞行器的飞行状态，并得到后续仿真所需要的主要参数。其次，通过分析比较HCV备选导航系统的特点，提出拟采用的组合导航方案。发射段采用捷联惯导系统；巡航段依靠全球卫星导航系统提供速度位置信息与天文导航系统提供姿态信息辅助捷联惯导系统的组合导航方案；末制导采用导引设备辅助捷联惯导组合导航方案。再次介绍了捷联惯导系统的工作原理及算法，并针对设计的飞行状态（特别是巡航段），对HCV仅采用捷联惯导的形式作了数学仿真，结果表明单一的捷联惯导无法满足系统要求，需要采用其他的导航系统辅助。对捷联惯导系统的元器件误差，星敏感器误差，GNSS接收机误差分别进行了分析和建模。 论文以卡尔曼滤波为基础，分析比较了UKF与EKF的优缺点，设计了基于UKF的联邦滤波导航算法，提出了基于UKF的联邦滤波器设计，并针对HCV巡航段对这种滤波方法进行仿真验证，这是本文的研究重点。仿真结果表明，UKF滤波后精度较高，稳定性较好。依托地面实验系统，完成静态实验，以验证本论文对惯性组件的误差分析；设计车载实验，包括路径规划，方案设计等，并对实验结果进行分析。实验结果表明UKF滤波算法在实际组合导航系统中可行，且精度较高。最后对组合导航系统的故障诊断与容错技术做了初步探讨和研究。