基于对偶四元数的空天飞行器高性能导航关键技术研究

发布时间：2020-06-26 09:09

【摘要】：空天飞行器具有大空域、宽速域、飞行任务复杂的特点,且在不同空域、速域下,导航系统的任务需求和可用性不尽相同,而现有导航方法应用于空天飞行器对象时,在精度、计算效率或可靠性方面尚存在一些不足之处。因此,需根据空天飞行器不同飞行阶段的环境特性和运动特性,针对性地设计相应的导航方法,以满足空天飞行器对高性能导航系统的要求。为此,本文根据空天飞行器再入段、末端能量管理段初期、在轨段三个典型阶段的导航需求,分别从高动态捷联惯性导航算法、惯性/卫星大失准角空中对准方法、惯性/卫星/天文组合导航方法几个方面进行了研究。针对空天飞行器再入时主要依靠惯导,而传统四元数捷联惯性导航算法在长时间高动态再入时精度较低的问题,研究了基于对偶四元数的空天高动态捷联惯性导航算法。在以地理系为导航坐标系的基础上,推导了对偶四元数捷联惯性导航算法的导航微分方程和地理系导航参数解算公式,并进一步研究了对偶四元数算法的优化补偿方法。最后,从理论分析和仿真验证两个方面,分析验证了对偶四元数算法相比于传统四元数捷联惯导算法在高精度、大机动环境下的优越性。针对再入段主要依赖惯导,导致末端能量管理段初期惯导处于大失准角状态,而已有开环非线性空中对准算法对准效率较低的问题,提出了基于对偶四元数的惯性/卫星大失准角空中对准方法。通过推导对偶四元数导航非线性误差方程,建立了惯性/卫星非线性滤波模型,并研究了复杂加性噪声下的简化UKF滤波算法。在分析对偶四元数导航非线性、线性滤波模型对空中对准性能影响的基础上,创新性地设计了UKF开环滤波与卡尔曼闭环滤波分段工作的空中对准方法,有效提高了大失准角空中对准精度并减少滤波计算量。针对在轨段传统惯性/卫星/天文联邦滤波在卫星导航系统长时间故障情况下,惯性/天文地理系姿态组合方法精度低,残差卡方故障检测方法无法判定故障结束时间的问题,提出了基于对偶四元数的惯性/卫星/天文改进组合导航方法。利用可观测性分析法对子滤波器进行降维,设计了基于差异化局部模型的对偶四元数惯性/卫星/天文改进联邦滤波器,在保障组合精度的同时减少滤波器计算量。其中,对偶四元数惯性/天文可直接在惯性系下实现姿态组合,弥补了传统惯性/天文组合缺陷。此外,采用对惯性器件误差提前进行在线标定,卫星导航系统故障期间进行补偿的方法,有效提升了残差卡方故障检测方法的工作性能。最后,设计并实现了基于STK/Matlab/RobotFramework的空天飞行器高性能导航方法仿真测试平台。该平台易于维护和再次开发,可仿真模拟高保真的空天飞行器飞行航迹,并自动根据设定条件判断仿真测试是否通过,生成图文并茂的仿真测试报告。利用该平台分别对所提出的基于对偶四元数的空天高动态捷联惯性导航算法、惯性/卫星大失准角空中对准方法、惯性/卫星/天文改进组合导航方法进行了仿真测试。测试结果表明,所提出的相关方法相比于传统算法性能得到了有效提升,为实现空天飞行器的全程高性能导航提供了新的方法参考。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448;V249.3
【图文】：

化、基于天基的 GPS/INS/Star Tracker 导航系统的民用和军用卫星制造商 EARSCAstrium 公司学陀螺，可以进行精确的姿态和轨道确定[42]。惯性/卫星/天文导航技术应用于高空长航时无些典型的应用情况如表 1.1 所示。图 1.1 为 X-配备的 LN-120G 系统。表 1.1 国外惯性/卫星/天平台类型 平台机载平台X-37B 空天飞RC-135 侦察B-2 远程轰弹载平台RSM-54“深蓝”“三叉戟海基平台 凯旋级弹道导

节采用 RobotFramework 对导航方法测试数据进行分析，进行导航方法性能评估。5.3.1 基于 STK/Matlab 的空天飞行器动态航迹模拟仿真STK 软件虽是航天领域领先的分析软件，但其中并不包含空天飞行器运动模型，不能利用STK 软件直接生成空天飞行器的飞行航迹，且由于空天飞行器在不同飞行阶段具有不同的运动特性，其飞行动力学特性十分复杂，单一运动模型并不能反映其真实运动状态。因此，采用分阶段参照 STK 中已有代表性运动模型的思想，并对其辅以适当的设计参数是比较合理的考虑。STK 中的卫星模型可以为在轨段航迹设计提供模型参考，而飞机模型则可以为再入段航迹、末端能量管理段空中对准航迹提供模型参考。1. 在轨段航迹模拟空天飞行器在轨段运动特性与卫星等轨道飞行器的运动特性有一定程度的类似，因而可参考 STK 中的卫星模型。以典型的空天飞行器 X-37B 的第一次试飞为例，美国空军虽未详细描述其太空轨道，但部分天文学家观测到 X-37B 在发射后停留在倾角为 40°的近地圆形轨道，飞行轨道大约在地球上空 410km，约每 90min 绕地一圈[79]。据此可对 STK 中“Satellite”（卫星）模型进行在轨参数设置。具体参数如表 5.3 所示，空天飞行器在轨段三维可视航迹如图 5.4 所示

【参考文献】

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1 黄晓晖;徐国亮;刘剑威;;基于对偶四元数模型的SINS/GPS组合导航算法[J];指挥控制与仿真;2015年06期

2 谭勇;冉思诗;;从X-37B成功着陆看空天飞机导航飞控系统[J];现代军事;2015年01期

3 张卫;王宇宁;李勋;;空天飞机发展及其对策分析[J];国防科技;2014年06期

4 郭泽;缪玲娟;赵洪松;;一种改进的强跟踪UKF算法及其在SINS大方位失准角初始对准中的应用[J];航空学报;2014年01期

5 钱华明;孙龙;黄蔚;刘璇;;基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法[J];北京航空航天大学学报;2013年06期

6 张科;刘海鹏;李恒年;钱山;;SINS/GPS/CNS组合导航联邦滤波算法[J];中国惯性技术学报;2013年02期

7 宋博;李高峰;;美国X-37B轨道试验飞行器的发展及分析[J];飞航导弹;2012年12期

8 张如飞;石晓荣;;轨道试验飞行器X-37B再入飞行关键技术[J];飞航导弹;2012年11期

9 晁涛;王松艳;杨明;;小型空天飞行器制导导航与控制系统方案[J];航天控制;2012年05期

10 邵慧;熊智;张丹;王融;;无人机动态空中对准算法及性能仿真研究[J];计算机仿真;2012年07期

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2 杨松锟;航天器运载工具的发展历程分析及展望[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 潘加亮;空天飞行器多源信息融合自主导航及系统实现研究[D];南京航空航天大学;2015年

4 郭慧;基于对偶四元数的捷联惯性导航算法研究[D];哈尔滨工程大学;2015年

5 李贵珍;基于对偶四元数的捷联惯导算法研究[D];中北大学;2012年

6 陈亮;基于对偶四元数的捷联惯性导航算法[D];哈尔滨工业大学;2011年

7 周邦大;基于SINS/BDS/CNS的高超声速飞行器组合导航研究[D];国防科学技术大学;2010年

8 朱威;捷联惯导系统频域与小波域内导航算法研究[D];国防科学技术大学;2006年

本文编号：2730117