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空天飞行器惯性/天文组合导航技术研究

张承  
【摘要】:空天飞行器由于其飞行任务和飞行环境的特殊性,对于长航时导航的自主性、可靠性和精确性均提出了较高要求,单一的导航系统无法实现,而惯性导航系统和天文导航系统各自具有优缺点,对其进行组合可充分发挥各自的优势,构成自主性和抗干扰能力很强的高精度导航系统。为此,本文将主要针对空天飞行器应用环境下基于天文观测信息的组合导航技术开展相关研究,以期提出一整套可应用于空天飞行器的天文导航定姿、定位以及惯性/天文组合导航方案和算法,从而为天文导航在空天飞行环境下的工程应用提供理论基础。 结合空天飞行器长航时远距离飞行的特点,本文首先研究了基于高度差法的空天飞行器天文定位算法,针对观测选星过程对天文定位算法的影响进行了误差分析;并对全程固定选星和按照方位角选星两种情况下对天文定位性能的影响进行了比较和分析,仿真验证了在空天飞行环境下基于天文观测定位的有效性。 为了提高天文定姿精度,本文基于星敏感器测姿原理进行了天文定姿误差研究,提出了一种基于TRAID算法的天文定姿误差分析方法,并针对天体几何分布进行了天文定姿误差分析。结合地理系下获取飞行器姿态的要求,本文研究了天文惯性测量姿态到地理导航系下姿态的转换关系,并分析了影响地理导航系姿态测量误差的因素。本文所开展的天文导航定姿理论分析和仿真验证证明了本文所提出的分析方法的有效性。 为了进一步提高天文定位精度,本文提出了一种直接敏感地平的惯性/天文位置组合方法。该方法利用星敏感器输出的高精度惯性系姿态测量信息对陀螺仪漂移误差进行修正,随后以红外地平仪输出结合惯性参考系求得地理系位置信息,并与惯性导航系统进行位置组合滤波,以提高导航定位精度。仿真结果表明该方法不仅能修正陀螺仪输出误差,更能有效地对导航系统的位置,速度等输出量进行修正,从而显著改善导航系统整体精度。 为了满足空天飞行器对姿态精确自主测量的需求,本文针对空天飞行强非线性的特点以及星敏感器输出高精度惯性姿态的特点,提出了考虑姿态量测非线性以及姿态量测耦合位置误差的惯性/天文姿态组合算法,通过分别采用不同的组合策略对空天飞行器姿态进行修正,有效提升了组合导航系统的姿态测量精度。 论文最后建立了基于Matlab/STK软件实现的空天飞行器惯性/天文组合导航仿真系统。该系统能够模拟生成空天飞行器飞行航迹、惯性测量仪表输出、天文观测量等参数,从而为验证空天飞行环境下惯性/.天文组合算法提供了平台。


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