机载星跟踪器稳定跟踪技术研究
发布时间：2021-10-15 08:25
星跟踪器主要应用于飞机的惯导/天文全天时组合导航系统,作用是通过计算飞机与恒星的相对位置关系,并依靠双星或多星切换的方式来补偿惯导的累计误差。由于飞机在飞行过程中姿态不断变化且机身会因为发动机和气流等原因产生抖动,星跟踪器需要具备载体扰动隔离能力以保证星图质量和完成对目标恒星的持续跟踪。因此,从功能上来看,星跟踪器可以视为一个需要不断切换跟踪目标的光电稳定平台。其中,星跟踪器的跟踪性能由视轴稳定性能和目标跟踪性能决定,而其切换和搜索目标的效率则取决于视轴稳定性能和位置控制精度。本文将分别对星跟踪器的视轴稳定、位置控制和目标跟踪等三个方面进行深入研究,并通过改进控制结构的方式来提高星跟踪器系统的性能。首先将对星跟踪器的系统组成及结构进行介绍,并在此基础上分析扰动耦合原理和目标相对位置与脱靶量之间的关系,为相关传感器的利用提供理论支撑。建立星跟踪器平台模型,并分析载体扰动隔离原理;根据星跟踪器的功能需求,分别提出用于稳像和目标切换的双闭环控制回路,为后文的控制结构优化打下基础。在视轴稳定方面,本文提出两种设计方案:1)对星跟踪器采用的间接稳定方案原理进行阐述,提出间接稳定控制所需解决的三个...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 机载全天时天文导航系统研究现状
1.3 机载光电稳定平台研究现状
1.4 相关控制方法研究现状
1.4.1 惯性稳定控制方法研究现状
1.4.2 目标跟踪控制方法研究现状
1.5 论文主要研究内容及结构安排
1.5.1 论文主要研究内容
1.5.2 论文结构安排
第2章 星跟踪器系统分析
2.1 星跟踪器稳定方案选择
2.2 星跟踪器系统组成及工作原理
2.3 星跟踪器平台特性及原理分析
2.3.1 星跟踪器角运动原理
2.3.2 星跟踪器脱靶量与目标相对位置关系
2.3.3 星跟踪器动力学模型
2.3.4 星跟踪器扰动隔离分析
2.3.5 双闭环回路控制技术
2.4 本章小结
第3章 基于自抗扰控制和噪声观测器的视轴稳定技术
3.1 间接稳定性能分析
3.1.1 间接稳定原理
3.1.2 匹配滤波
3.1.3 微分测速噪声
3.2 基于自抗扰控制的视轴稳定方法
3.2.1 自抗扰控制原理
3.2.2 改进自抗扰控制
3.3 基于扰动观测原理的噪声观测器
3.3.1 自抗扰控制直接加滤波器存在的问题
3.3.2 扰动观测器原理
3.3.3 噪声观测器
3.3.4 噪声观测器控制系统的鲁棒稳定性分析
3.4 试验结果与分析
3.4.1 仿真分析
3.4.2 实验验证
3.4.3外场实验
3.5 本章小结
第4章 基于鲁棒降阶自抗扰控制的视轴稳定技术
4.1 降阶自抗扰控制的理论依据
4.2 改进降噪扰动观测器
4.3 改进降噪扰动观测器控制系统的鲁棒稳定性分析
4.4 实验结果与分析
4.4.1 仿真分析
4.4.2 实验验证
4.5 本章小结
第5章 带有滑模组件的自抗扰位置控制技术
5.1 基于系统输出微分的扩张状态观测器
5.1.1 基于系统输出微分的扩张状态观测器的提出
5.1.2 两种扩张状态观测器的比较
5.2 基于总和扰动估计微分的扩张状态观测器
5.3 带有滑模组件的反馈控制律
5.3.1 滑模控制基本原理
5.3.2 滑模组件的设计
5.4 实验结果与分析
5.4.1 仿真分析
5.4.2 实验验证
5.5 本章小节
第6章 基于预测结构扩张状态观测器的跟踪控制技术
6.1 延时对跟踪控制性能的影响
6.2 预测结构扩张状态观测器
6.2.1 经典状态预测算法
6.2.2 改进状态预测算法
6.2.3 基于扩张状态观测器的状态预测算法
6.2.4 预测算法的分析
6.3 实验结果与分析
6.3.1 仿真分析
6.3.2 实验验证
6.4 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 论文主要创新点
7.3 现阶段存在问题及工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于蜂群算法的矩阵变换器ADRC参数优化[J]. 马星河,张振东,许丹,王福忠. 电力系统保护与控制. 2019(17)
[2]基于卡尔曼滤波的光电跟踪设备速度预测[J]. 赵治月,刘丽贞,周鹏远. 激光杂志. 2019(01)
[3]基于降阶自抗扰的永磁同步电机调速系统[J]. 范婷,唐彬彬,郭小定. 微电机. 2018(07)
[4]远程长航时飞行器惯性/天文组合导航技术研究[J]. 何晓斌. 航空科学技术. 2018(07)
[5]基于加权自适应平方根容积卡尔曼滤波的GPS/INS组合导航方法[J]. 岳哲,廉保旺,唐成凯. 电子与信息学报. 2018(03)
[6]利用自适应卡尔曼滤波实现光电跟踪中的复合控制[J]. 田俊林,胡晓阳,游安清. 光学精密工程. 2017(07)
[7]Acceleration feedback control（AFC） enhanced by disturbance observation and compensation（DOC） for high precision tracking in telescope systems[J]. Qiang Wang,Hua-Xiang Cai,Yong-Mei Huang,Liang Ge,Tao Tang,Yan-Rui Su,Xiang Liu,Jin-Ying Li,Dong He,Sheng-Ping Du,Yu Ling. Research in Astronomy and Astrophysics. 2016(08)
[8]光栅数字细分的CORDIC算法总量化误差分析[J]. 王晓娜,钟玉龙,朱维斌,叶树亮. 计量学报. 2016 (01)
[9]基于粒子滤波技术的电机信号降噪方法[J]. 原菊梅. 火力与指挥控制. 2016(01)
[10]永磁直线同步电机的互补滑模变结构控制[J]. 赵希梅,赵久威. 中国电机工程学报. 2015(10)
博士论文
[1]基于信息融合的运动平台光电跟踪控制技术研究[D]. 罗勇.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]机载光电侦察平台高精度视轴稳定及像移补偿控制技术研究[D]. 王正玺.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[3]滑模变结构控制在机载光电平台中的应用研究[D]. 周占民.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[4]运动平台预测跟踪技术研究[D]. 邓超.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[5]机载捷联惯性导航系统高精度快速对准技术研究[D]. 陈维娜.南京航空航天大学 2017
[6]机载光电平台伺服系统稳定与跟踪控制技术的研究[D]. 谢瑞宏.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[7]惯性稳定平台中的多传感器控制技术研究[D]. 田竞.电子科技大学 2016
[8]惯性稳定平台的建模分析与高精度控制[D]. 邓科.中国科学技术大学 2016
[9]运动平台ATP系统控制技术研究[D]. 刘子栋.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[10]基于星敏感器的捷联惯性/天文组合导航研究[D]. 孙龙.哈尔滨工程大学 2015
硕士论文
[1]两轴四框架结构机载光电平台扰动抑制研究[D]. 丛敬文.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]线性自抗扰控制器在LCL型并网逆变器系统中的应用研究[D]. 陶帮正.华南理工大学 2019
[3]机载光电稳定平台扰动的自适应补偿[D]. 马丙华.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[4]编码器分辨率对捷联式稳定平台的精度影响控制研究[D]. 李志翔.哈尔滨工业大学 2018
[5]基于频域模型的ADRC参数整定及其在精密控制中应用研究[D]. 左丹.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[6]基于构型信息的小卫星编队自主导航技术研究[D]. 张晓磊.中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心) 2015
[7]GNSS/MIMU机载组合导航系统设计与实现[D]. 闫小乐.哈尔滨工程大学 2015
[8]GNSS/MIMU组合导航系统动态初始对准及实时信息融合方法研究[D]. 王鼎杰.国防科学技术大学 2013
[9]空天飞行器惯性/天文组合导航技术研究[D]. 张承.南京航空航天大学 2012
[10]视轴稳定与跟踪系统的控制结构及算法研究[D]. 张琳琳.东北大学 2010
本文编号：3437737
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 机载全天时天文导航系统研究现状
1.3 机载光电稳定平台研究现状
1.4 相关控制方法研究现状
1.4.1 惯性稳定控制方法研究现状
1.4.2 目标跟踪控制方法研究现状
1.5 论文主要研究内容及结构安排
1.5.1 论文主要研究内容
1.5.2 论文结构安排
第2章 星跟踪器系统分析
2.1 星跟踪器稳定方案选择
2.2 星跟踪器系统组成及工作原理
2.3 星跟踪器平台特性及原理分析
2.3.1 星跟踪器角运动原理
2.3.2 星跟踪器脱靶量与目标相对位置关系
2.3.3 星跟踪器动力学模型
2.3.4 星跟踪器扰动隔离分析
2.3.5 双闭环回路控制技术
2.4 本章小结
第3章 基于自抗扰控制和噪声观测器的视轴稳定技术
3.1 间接稳定性能分析
3.1.1 间接稳定原理
3.1.2 匹配滤波
3.1.3 微分测速噪声
3.2 基于自抗扰控制的视轴稳定方法
3.2.1 自抗扰控制原理
3.2.2 改进自抗扰控制
3.3 基于扰动观测原理的噪声观测器
3.3.1 自抗扰控制直接加滤波器存在的问题
3.3.2 扰动观测器原理
3.3.3 噪声观测器
3.3.4 噪声观测器控制系统的鲁棒稳定性分析
3.4 试验结果与分析
3.4.1 仿真分析
3.4.2 实验验证
3.4.3外场实验
3.5 本章小结
第4章 基于鲁棒降阶自抗扰控制的视轴稳定技术
4.1 降阶自抗扰控制的理论依据
4.2 改进降噪扰动观测器
4.3 改进降噪扰动观测器控制系统的鲁棒稳定性分析
4.4 实验结果与分析
4.4.1 仿真分析
4.4.2 实验验证
4.5 本章小结
第5章 带有滑模组件的自抗扰位置控制技术
5.1 基于系统输出微分的扩张状态观测器
5.1.1 基于系统输出微分的扩张状态观测器的提出
5.1.2 两种扩张状态观测器的比较
5.2 基于总和扰动估计微分的扩张状态观测器
5.3 带有滑模组件的反馈控制律
5.3.1 滑模控制基本原理
5.3.2 滑模组件的设计
5.4 实验结果与分析
5.4.1 仿真分析
5.4.2 实验验证
5.5 本章小节
第6章 基于预测结构扩张状态观测器的跟踪控制技术
6.1 延时对跟踪控制性能的影响
6.2 预测结构扩张状态观测器
6.2.1 经典状态预测算法
6.2.2 改进状态预测算法
6.2.3 基于扩张状态观测器的状态预测算法
6.2.4 预测算法的分析
6.3 实验结果与分析
6.3.1 仿真分析
6.3.2 实验验证
6.4 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 论文主要创新点
7.3 现阶段存在问题及工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于蜂群算法的矩阵变换器ADRC参数优化[J]. 马星河,张振东,许丹,王福忠. 电力系统保护与控制. 2019(17)
[2]基于卡尔曼滤波的光电跟踪设备速度预测[J]. 赵治月,刘丽贞,周鹏远. 激光杂志. 2019(01)
[3]基于降阶自抗扰的永磁同步电机调速系统[J]. 范婷,唐彬彬,郭小定. 微电机. 2018(07)
[4]远程长航时飞行器惯性/天文组合导航技术研究[J]. 何晓斌. 航空科学技术. 2018(07)
[5]基于加权自适应平方根容积卡尔曼滤波的GPS/INS组合导航方法[J]. 岳哲,廉保旺,唐成凯. 电子与信息学报. 2018(03)
[6]利用自适应卡尔曼滤波实现光电跟踪中的复合控制[J]. 田俊林,胡晓阳,游安清. 光学精密工程. 2017(07)
[7]Acceleration feedback control（AFC） enhanced by disturbance observation and compensation（DOC） for high precision tracking in telescope systems[J]. Qiang Wang,Hua-Xiang Cai,Yong-Mei Huang,Liang Ge,Tao Tang,Yan-Rui Su,Xiang Liu,Jin-Ying Li,Dong He,Sheng-Ping Du,Yu Ling. Research in Astronomy and Astrophysics. 2016(08)
[8]光栅数字细分的CORDIC算法总量化误差分析[J]. 王晓娜,钟玉龙,朱维斌,叶树亮. 计量学报. 2016 (01)
[9]基于粒子滤波技术的电机信号降噪方法[J]. 原菊梅. 火力与指挥控制. 2016(01)
[10]永磁直线同步电机的互补滑模变结构控制[J]. 赵希梅,赵久威. 中国电机工程学报. 2015(10)
博士论文
[1]基于信息融合的运动平台光电跟踪控制技术研究[D]. 罗勇.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]机载光电侦察平台高精度视轴稳定及像移补偿控制技术研究[D]. 王正玺.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[3]滑模变结构控制在机载光电平台中的应用研究[D]. 周占民.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[4]运动平台预测跟踪技术研究[D]. 邓超.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[5]机载捷联惯性导航系统高精度快速对准技术研究[D]. 陈维娜.南京航空航天大学 2017
[6]机载光电平台伺服系统稳定与跟踪控制技术的研究[D]. 谢瑞宏.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[7]惯性稳定平台中的多传感器控制技术研究[D]. 田竞.电子科技大学 2016
[8]惯性稳定平台的建模分析与高精度控制[D]. 邓科.中国科学技术大学 2016
[9]运动平台ATP系统控制技术研究[D]. 刘子栋.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[10]基于星敏感器的捷联惯性/天文组合导航研究[D]. 孙龙.哈尔滨工程大学 2015
硕士论文
[1]两轴四框架结构机载光电平台扰动抑制研究[D]. 丛敬文.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]线性自抗扰控制器在LCL型并网逆变器系统中的应用研究[D]. 陶帮正.华南理工大学 2019
[3]机载光电稳定平台扰动的自适应补偿[D]. 马丙华.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[4]编码器分辨率对捷联式稳定平台的精度影响控制研究[D]. 李志翔.哈尔滨工业大学 2018
[5]基于频域模型的ADRC参数整定及其在精密控制中应用研究[D]. 左丹.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[6]基于构型信息的小卫星编队自主导航技术研究[D]. 张晓磊.中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心) 2015
[7]GNSS/MIMU机载组合导航系统设计与实现[D]. 闫小乐.哈尔滨工程大学 2015
[8]GNSS/MIMU组合导航系统动态初始对准及实时信息融合方法研究[D]. 王鼎杰.国防科学技术大学 2013
[9]空天飞行器惯性/天文组合导航技术研究[D]. 张承.南京航空航天大学 2012
[10]视轴稳定与跟踪系统的控制结构及算法研究[D]. 张琳琳.东北大学 2010
本文编号：3437737
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