發(fā)布時間：2020-06-26 09:09

【摘要】：空天飛行器具有大空域、寬速域、飛行任務(wù)復(fù)雜的特點,且在不同空域、速域下,導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)需求和可用性不盡相同,而現(xiàn)有導(dǎo)航方法應(yīng)用于空天飛行器對象時,在精度、計算效率或可靠性方面尚存在一些不足之處。因此,需根據(jù)空天飛行器不同飛行階段的環(huán)境特性和運動特性,針對性地設(shè)計相應(yīng)的導(dǎo)航方法,以滿足空天飛行器對高性能導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。為此,本文根據(jù)空天飛行器再入段、末端能量管理段初期、在軌段三個典型階段的導(dǎo)航需求,分別從高動態(tài)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法、慣性/衛(wèi)星大失準(zhǔn)角空中對準(zhǔn)方法、慣性/衛(wèi)星/天文組合導(dǎo)航方法幾個方面進行了研究。針對空天飛行器再入時主要依靠慣導(dǎo),而傳統(tǒng)四元數(shù)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法在長時間高動態(tài)再入時精度較低的問題,研究了基于對偶四元數(shù)的空天高動態(tài)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法。在以地理系為導(dǎo)航坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了對偶四元數(shù)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法的導(dǎo)航微分方程和地理系導(dǎo)航參數(shù)解算公式,并進一步研究了對偶四元數(shù)算法的優(yōu)化補償方法。最后,從理論分析和仿真驗證兩個方面,分析驗證了對偶四元數(shù)算法相比于傳統(tǒng)四元數(shù)捷聯(lián)慣導(dǎo)算法在高精度、大機動環(huán)境下的優(yōu)越性。針對再入段主要依賴慣導(dǎo),導(dǎo)致末端能量管理段初期慣導(dǎo)處于大失準(zhǔn)角狀態(tài),而已有開環(huán)非線性空中對準(zhǔn)算法對準(zhǔn)效率較低的問題,提出了基于對偶四元數(shù)的慣性/衛(wèi)星大失準(zhǔn)角空中對準(zhǔn)方法。通過推導(dǎo)對偶四元數(shù)導(dǎo)航非線性誤差方程,建立了慣性/衛(wèi)星非線性濾波模型,并研究了復(fù)雜加性噪聲下的簡化UKF濾波算法。在分析對偶四元數(shù)導(dǎo)航非線性、線性濾波模型對空中對準(zhǔn)性能影響的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地設(shè)計了UKF開環(huán)濾波與卡爾曼閉環(huán)濾波分段工作的空中對準(zhǔn)方法,有效提高了大失準(zhǔn)角空中對準(zhǔn)精度并減少濾波計算量。針對在軌段傳統(tǒng)慣性/衛(wèi)星/天文聯(lián)邦濾波在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)長時間故障情況下,慣性/天文地理系姿態(tài)組合方法精度低,殘差卡方故障檢測方法無法判定故障結(jié)束時間的問題,提出了基于對偶四元數(shù)的慣性/衛(wèi)星/天文改進組合導(dǎo)航方法。利用可觀測性分析法對子濾波器進行降維,設(shè)計了基于差異化局部模型的對偶四元數(shù)慣性/衛(wèi)星/天文改進聯(lián)邦濾波器,在保障組合精度的同時減少濾波器計算量。其中,對偶四元數(shù)慣性/天文可直接在慣性系下實現(xiàn)姿態(tài)組合,彌補了傳統(tǒng)慣性/天文組合缺陷。此外,采用對慣性器件誤差提前進行在線標(biāo)定,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)故障期間進行補償?shù)姆椒?有效提升了殘差卡方故障檢測方法的工作性能。最后,設(shè)計并實現(xiàn)了基于STK/Matlab/RobotFramework的空天飛行器高性能導(dǎo)航方法仿真測試平臺。該平臺易于維護和再次開發(fā),可仿真模擬高保真的空天飛行器飛行航跡,并自動根據(jù)設(shè)定條件判斷仿真測試是否通過,生成圖文并茂的仿真測試報告。利用該平臺分別對所提出的基于對偶四元數(shù)的空天高動態(tài)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法、慣性/衛(wèi)星大失準(zhǔn)角空中對準(zhǔn)方法、慣性/衛(wèi)星/天文改進組合導(dǎo)航方法進行了仿真測試。測試結(jié)果表明,所提出的相關(guān)方法相比于傳統(tǒng)算法性能得到了有效提升,為實現(xiàn)空天飛行器的全程高性能導(dǎo)航提供了新的方法參考。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V448;V249.3
【圖文】：

化、基于天基的 GPS/INS/Star Tracker 導(dǎo)航系統(tǒng)的民用和軍用衛(wèi)星制造商 EARSCAstrium 公司學(xué)陀螺，可以進行精確的姿態(tài)和軌道確定[42]。慣性/衛(wèi)星/天文導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于高空長航時無些典型的應(yīng)用情況如表 1.1 所示。圖 1.1 為 X-配備的 LN-120G 系統(tǒng)。表 1.1 國外慣性/衛(wèi)星/天平臺類型 平臺機載平臺X-37B 空天飛RC-135 偵察B-2 遠(yuǎn)程轟彈載平臺RSM-54“深藍(lán)”“三叉戟�；脚_ 凱旋級彈道導(dǎo)

節(jié)采用 RobotFramework 對導(dǎo)航方法測試數(shù)據(jù)進行分析，進行導(dǎo)航方法性能評估。5.3.1 基于 STK/Matlab 的空天飛行器動態(tài)航跡模擬仿真STK 軟件雖是航天領(lǐng)域領(lǐng)先的分析軟件，但其中并不包含空天飛行器運動模型，不能利用STK 軟件直接生成空天飛行器的飛行航跡，且由于空天飛行器在不同飛行階段具有不同的運動特性，其飛行動力學(xué)特性十分復(fù)雜，單一運動模型并不能反映其真實運動狀態(tài)。因此，采用分階段參照 STK 中已有代表性運動模型的思想，并對其輔以適當(dāng)?shù)脑O(shè)計參數(shù)是比較合理的考慮。STK 中的衛(wèi)星模型可以為在軌段航跡設(shè)計提供模型參考，而飛機模型則可以為再入段航跡、末端能量管理段空中對準(zhǔn)航跡提供模型參考。1. 在軌段航跡模擬空天飛行器在軌段運動特性與衛(wèi)星等軌道飛行器的運動特性有一定程度的類似，因而可參考 STK 中的衛(wèi)星模型。以典型的空天飛行器 X-37B 的第一次試飛為例，美國空軍雖未詳細(xì)描述其太空軌道，但部分天文學(xué)家觀測到 X-37B 在發(fā)射后停留在傾角為 40°的近地圓形軌道，飛行軌道大約在地球上空 410km，約每 90min 繞地一圈[79]。據(jù)此可對 STK 中“Satellite”（衛(wèi)星）模型進行在軌參數(shù)設(shè)置。具體參數(shù)如表 5.3 所示，空天飛行器在軌段三維可視航跡如圖 5.4 所示

【參考文獻】

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本文編號：2730117