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基于SINS/星光/磁测的空间机动平台自主导航技术

作　者: 张玉纯
导　师: 康国华
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 空间机动平台备份自主导航系统捷联惯导联邦滤波剩磁标定
分类号: V448.224
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 8次
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内容摘要

空间机动平台作为新型的军事平台，有着快速大范围机动、模块化、智能自主、可携带载荷等特点。为提高战时空间机动平台的安全性，必须加强其自主运行能力；又由于空间机动平台所处的作战环境，必须考虑一旦地面站在战时被摧毁，如何使机动平台继续正常在轨执行任务，所以实现空间机动平台的自主导航是进行空间机动平台技术研究的重要环节。本论文将针对空间机动平台的自主导航技术展开研究，考虑战时GPS信号有效与失效的情况，提出一种实用性较强的备份系统导航方法。作为一种较为常用且技术成熟的导航系统，全球卫星定位系统(Global Positioning System,GPS)有着全天候、精度高、长期稳定等优点，但同时GPS系统又有控制权不在我军手中的致命缺陷。本论文针对GPS信号失效时情况，并结合空间机动平台的特点，首先就机动平台非机动状态下自由运动段的定姿和定轨备份方案进行了研究。论文通过四元数法推导了陀螺解算姿态转换矩阵，总结了器件误差源和误差方程，并提出了基于陀螺/星光的空间机动平台自主定姿方案；进而根据空间机动平台的运动特点，构造星光/磁场角距量测方程，构建基于动力学约束/星光/磁测的机动平台自主定轨方案并进行了仿真分析验证。其次，本论文针对空间机动平台在轨执行任务时，大范围姿态轨道机动状态下的自主导航方案进行了研究。捷联惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)可以良好地适用于机动平台的机动情况，论文将其引入并分析其算法编排与误差方程；在已有的导航设备基础上构建了基于SINS/星光/磁测的空间机动平台大范围机动段的备份自主导航系统，并提出一种基于联邦滤波的多信息融合的自主导航方案使得系统可以充分利用敏感器信息，提高系统的实时性与导航精度。最后，考虑到磁强计的精度对备份导航系统的精度有着重要的影响，本论文分析了当GPS信号有效时，不仅可以进行高精度的空间机动平台自主导航，同时还可以进行机动平台在轨剩余磁场标定。论文将GPS系统作为联邦滤波子系统，分析了GPS信号有效时的空间机动平台导航系统方案，并且仿真验证了利用GPS进行剩余磁场标定的可行性，对比了经过剩磁标定的空间机动平台备份导航系统与未标定的备份导航系统之间的差别。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-20
  1.1 课题研究背景与意义  11-13
  1.2 国内外研究成果与发展综述  13-17
    1.2.1 国内外研究成果介绍  13-16
    1.2.2 发展趋势  16-17
  1.3 论文的主要研究内容  17-20
第二章空间机动平台动力学模型  20-28
  2.1 引言  20
  2.2 自主导航常用参考坐标系  20-21
  2.3 空间机动平台轨道动力学模型  21-25
    2.3.1 轨道动力学方程的建立  21-23
    2.3.2 空间机动平台运行环境摄动力分析  23-25
  2.4 空间机动平台姿态动力学模型  25-27
    2.4.1 姿态动力学方程  25
    2.4.2 空间机动平台运行干扰力矩分析  25-27
  2.5 本章小结  27-28
第三章基于陀螺/星光/磁测的机动平台自由运动段自主导航技术  28-48
  3.1 引言  28
  3.2 基于陀螺/星光的机动平台自主定姿技术  28-37
    3.2.1 基于陀螺/星光的姿态确定原理  29
    3.2.2 地心惯性系下姿态转换矩阵解算及误差分析  29-33
    3.2.3 基于陀螺/星光自主定姿数学模型的建立  33-35
    3.2.4 基于陀螺/星光的仿真结果分析  35-37
  3.3 基于动力学约束/星光/磁测的自主定轨技术  37-47
    3.3.1 地磁场主要参数及其数学模型  38-39
    3.3.2 基于动力学约束/星光/磁测的机动平台自主定轨数学模型的建立  39-42
    3.3.3 基于动力学约束/星光/磁测的机动平台的滤波算法  42-44
    3.3.4 基于动力学约束/星光/磁测的自主定轨仿真结果分析  44-47
  3.4 本章小结  47-48
第四章基于 SINS/星光/磁测的机动平台大范围机动段自主导航技术  48-64
  4.1 引言  48
  4.2 机动平台大范围机动 SINS/星光/磁测组合导航分析  48-55
    4.2.1 机动平台 SINS 的算法编排技术与误差分析  48-52
    4.2.2 空间机动平台大范围机动自主导航数学模型的建立  52-55
  4.3 空间机动平台大范围机动段多信息融合的自主导航系统方法  55-59
    4.3.1 联邦滤波算法方案分析  55-57
    4.3.2 联邦滤波器算法实现流程  57-59
    4.3.3 子滤波器系统滤波算法  59
  4.4 仿真结果分析  59-63
  4.5 本章小结  63-64
第五章基于在轨剩磁标定的机动平台自主导航技术  64-77
  5.1 引言  64-65
  5.2 在轨剩磁分析  65-66
    5.2.1 剩磁原理分析及其解决办法  65-66
    5.2.2 剩余磁场的在轨标定  66
  5.3 基于剩磁标定的星光/磁测自主导航技术  66-71
    5.3.1 基于剩磁标定的星光/磁测自主导航方案设计  66-68
    5.3.2 基于剩磁标定的星光/磁测自主导航数学模型的建立  68-71
  5.4 仿真与结果分析  71-76
  5.5 本章小结  76-77
第六章总结与展望  77-79
  6.1 论文所完成的主要工作  77
  6.2 后续尚需研究的工作展望  77-79
参考文献  79-83
致谢  83-84
在学期间的研究成果及发表的学术论文  84

基于SINS/星光/磁测的空间机动平台自主导航技术

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