空間地磁場應用的若干關鍵技術(shù)研究.pdf

1、地磁學是一門古老的基礎學科，同時也是一門具有多樣性的應用學科。地磁場應用技術(shù)的發(fā)展極大地促進了人類航海、探險、貿(mào)易、戰(zhàn)爭及文化的進步。本文以空間地磁場應用技術(shù)為研究對象，分析電動力繩系磁彈性屈曲問題，設計飛行器沿等磁線飛行控制與制導方案，開展地磁導航定位算法等關鍵技術(shù)的研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、叛芯苛舜艌霏h(huán)境下電動力繩系微小系繩段的非線性動力學分析方法。電動力繩系統(tǒng)具有強非線性且運動過程中存在復雜的多場耦合,現(xiàn)有動力學模型

2、對空間磁場給電動力繩系運動帶來的影響考慮較少，難以揭示繩系結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機理。針對這些不足，論文以彈性桿模型建立微小系繩段的動力學方程，研究均勻磁場環(huán)境下系統(tǒng)的分岔特性。彈性桿模型由一個四維哈密頓方程進行描述，基于方程的對稱性分析了一定參數(shù)條件下系統(tǒng)的同宿軌解，并給出了相對應的空間構(gòu)型。數(shù)值分析表明當參數(shù)改變時，發(fā)生同宿軌分岔。結(jié)果揭示了彈性結(jié)構(gòu)在耦合場作用下的不穩(wěn)定性，對電動力繩系及與之相關的載流繩索技術(shù)的開發(fā)有指導意義。
　　⑵針對

3、電動力繩系的穩(wěn)定性問題，研究了電動力繩系磁彈性屈曲問題。利用Kirchhoff彈性桿方程建立留位狀態(tài)下電動力繩系模型，并采用國際參考地磁場模型對地磁場進行數(shù)值分析。分別對載流桿的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性進行深入分析，給出了系統(tǒng)出現(xiàn)分岔現(xiàn)象的臨界值。結(jié)果表明，隨著角速度的增加，使系統(tǒng)發(fā)生分岔的磁場強度臨界值逐漸減小。
　　⑶提出了一種新的沿等磁線飛行的巡航導彈制導方法。利用雙線性插值方法在地磁圖中實現(xiàn)地磁等值線的提取，并考慮導彈的動態(tài)約束進

4、行路徑跟蹤。建立了導彈巡航段的動力學方程，利用動態(tài)逆制導方法進行仿真試驗。仿真結(jié)果表明，導彈沿著地磁等值線飛行在理論上是可行的，當確定好等值線飛行路徑后，導彈可以通過控制沿等磁線進行飛行。
　　⑷對擴展卡爾曼濾波（EKF），Unscented卡爾曼濾波（UKF），粒子濾波（PF）和擴展卡爾曼粒子濾波（EKPF）等四種不同的非線性濾波技術(shù)在飛行器巡航階段地磁導航的應用進行了研究。利用曲面樣條方法建立了基于實測區(qū)域地磁數(shù)據(jù)的觀測方程，

5、針對不同飛行路徑及不同初始狀態(tài)偏差開展了仿真試驗。仿真結(jié)果表明，當?shù)卮艌鲂畔⒈容^豐富時，四種濾波技術(shù)濾波效果均滿足飛行器定位要求，其中 UKF表現(xiàn)最好。由于UKF的濾波效果受參數(shù)的影響，利用遺傳算法對濾波參數(shù)進行了優(yōu)化選擇，并進行了魯棒性分析。分析結(jié)果進一步驗證了該方法的可行性。
　?、蓪μ卣魈崛≡诘卮牌ヅ渲械膽眠M行了研究，從地磁場的總強度中提取出地磁熵作為匹配特征量，并利用真實地磁場數(shù)據(jù)對其性能進行了測試。匹配過程分為粗匹配和

6、精匹配，粗匹配過程是利用地磁場總強度作為匹配特征量確定一個相對較小的匹配子區(qū)域，然后在子區(qū)域內(nèi)利用地磁熵進行精匹配，以獲得最終結(jié)果。仿真結(jié)果表明，利用地磁熵作為輔助特征量可以顯著改善導航效果，特別是在地磁場信息變化不夠明顯的地方，匹配概率遠高于僅使用總強度作為匹配特征量所對應的結(jié)果?？臻g地磁場應用技術(shù)的研究，涵蓋了地磁學、非線性動力學、飛行力學等多個學科領域。論文所涉及的研究問題在航空航天領域前景廣闊，相信研究成果對于我國空間地磁場應用