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《南京航空航天大学》 2011年
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高空长航无人机多信息融合自主导航关键技术研究

于永军  
【摘要】:无人机以低成本、零伤亡等突出优势在军事和民用领域得到广泛应用,飞行高度高、续航时间长的高空长航无人机是无人机领域的研究重点和热点。高空长航无人机实现自主飞行的关键在于其必须具备高精度的自主导航能力,高精度导航技术已成为制约无人机性能提升的关键技术。结合无人机自主控制对导航系统高精度和高可靠性的迫切需求,本文主要开展了高空长航无人机多信息融合关键技术研究,研究并提出了适用于高空长航无人机的多信息融合自主导航方案和算法,为高空长航无人机自主导航系统的研究和应用提供了理论基础。 本文在综合分析高空长航无人机对自主导航精度和可靠性需求的基础上,主要研究了无人机高精度捷联惯性导航算法以及以惯性导航为基础的多信息融合自主导航方案和算法,其目的在于充分利用无人机机载导航传感器信息,以提高无人机自主导航系统的精度和稳定性。 为有效克服无人机自主导航系统对GPS的依赖性,论文研究了基于天文导航辅助的惯性/天文组合导航定位算法。论文分析提出了多圆交汇天文定位算法,该算法数值计算稳定性强,并能实时获取天文定位误差估计,从而为惯性/天文组合量测误差建模提供了信息;论文提出了基于鲁棒H∞滤波器的惯性/天文自适应定位组合导航算法,有效提高了组合导航系统的鲁棒性和导航精度;此外,分析建立了天文观测高度角与惯性导航系统平台误差角、经纬度误差的量测模型,设计了以天文观测高度角为量测信息的耦合惯性平台误差角的惯性/天文紧组合算法,实现了单颗可见星下的天文定位,有效提高了捷联惯性/天文组合导航的稳定性。 高空侦察摄像是高空长航无人机的重要功能,因此对导航系统的定姿和定位精度都有较高高的要求。为进一步提升惯性/天文组合定姿、定位的精度,论文研究了基于GPS辅助的惯性/星光多信息融合导航系统,以有效提升导航系统性能。论文提出了惯性/GPS/星敏感器集中滤波组合导航方案,针对多传感器融合中的量测滞后和非等间隔输出问题,建立了基于外推的GPS信息补偿算法,设计了多传感器异步集中滤波算法;针对GPS信息不可用的情况,论文提出了耦合惯性位置误差的机载惯性/星光组合滤波算法,引入经纬度误差转换矩阵,建立了星敏感器测量的姿态与惯导计算输出的地理系姿态之间的耦合误差模型,提高了组合系统的稳定性。 考虑到基于星光观测的天文导航系统受高度和气候等条件限制,论文研究了基于大气数据系统辅助的惯性/GPS组合导航系统。一方面,利用大气数据系统提供的气压高度、空速信息辅助惯导,设计了ADS辅助的SINS/GPS松组合导航算法;另一方面,考虑到紧组合的稳定性更高,推导了基于GPS伪距、伪距率的非线性量测模型,提出了基于UKF非线性滤波方法的SINS/GPS紧组合算法,保证了组合导航系统的精度和稳定性。 结合高空长航无人机的特性研究提高惯性导航系统精度的算法,发挥其全自主的优势,对提高高空长航无人机自主导航系统精度依然有重要的意义。论文深入分析并提出了高精度改进捷联惯性导航算法,提高了捷联惯导的精度。为有效验证改进捷联算法的性能,论文设计了基于运动学的无人机动态航迹仿真算法,建立了无人机姿态机动解算模型,为后续无人机多信息融合自主导航算法研究奠定了基础。 论文最后设计并实现了无人机SINS/GPS/CNS/ADS多信息融合组合导航半物理仿真验证系统,对论文所提出的方案和算法进行了有效验证。同时,以某型无人直升机为研究试验平台,论文设计完成了SINS/GPS/ADS/磁航向组合导航原理样机,对本文所提出的关键算法进行了实际验证;原理样机的跑车和机载试验表明所设计的导航系统具有较好的精度和自主性。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:V249.328

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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1 严恭敏;捷联惯导算法及车载组合导航系统研究[D];西北工业大学;2004年
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