基于星敏感器的捷聯(lián)慣性-天文組合導航研究.pdf

1、隨著深空探測、探月計劃的實施以及太空飛行器的高速發(fā)展，自主導航技術成為了各個國家關注的關鍵技術之一。同時，隨著電子對抗戰(zhàn)的愈演愈烈，GPS、無線電等導航技術手段的劣勢逐漸體現(xiàn)出來。在這種情況下，高隱蔽性的捷聯(lián)慣性/天文組合導航系統(tǒng)成為了各國競相發(fā)展的技術之一。本文以衛(wèi)星、彈道導彈等高性能載體為背景，深入研究了基于星敏感器的捷聯(lián)慣性/天文組合導航技術。
　　研究了多種基于星敏感器的星圖識別的方法，針對模式識別類的柵格算法進行了重點研

2、究。柵格算法是一種魯棒性很強的算法，在位置噪聲為1像素的情況下仍然能夠達到98％以上的識別成功率。但是這種算法要求視場中星的數(shù)目不少于6顆，這就限制了該算法在小視場或者低星等靈敏度的星敏感器中的應用。本人將擴充圖像法與柵格算法結合，能夠對視場進行有效的擴充，從而獲得更加豐富的星點信息，打破傳統(tǒng)柵格算法的限制，使得柵格算法能夠在較小視場或較低星等靈敏度的星敏感器上使用。
　　隨著基于星光折射間接敏感地平法的廣泛應用，折射星的識別問題

3、也成為了研究的重點。傳統(tǒng)的方法是利用兩個星敏感器來進行折射星的識別和折射角的獲取，多余的星敏感器不僅增加了設計成本而且增加了初始對準的負擔。本人在深入研究折射星識別理論的基礎上，提出了一種單星敏感器的折射星識別方案。由于星敏感器的安裝角度決定了星敏感器觀測到的折射星數(shù)目，從而影響到導航的精度，因此該方案還考慮了星敏感器安裝角度對導航精度的影響。根據(jù)球面幾何和微分極值理論，以衛(wèi)星為載體，給出了一種計算星敏感器最佳安裝角度的方法。
　

4、　星敏感器是天文導航中最常用的姿態(tài)測量器件。隨著微電子技術、光學技術和星圖識別算法等的發(fā)展，現(xiàn)代星敏感器的數(shù)據(jù)輸出率和動態(tài)性能逐漸提高，因此捷聯(lián)慣性/天文組合導航系統(tǒng)在高動態(tài)條件下的使用成為了有待研究的方向。在高動態(tài)條件下，捷聯(lián)慣導系統(tǒng)不同于平臺慣導系統(tǒng)，它不能將旋轉和平移完全隔離，從而產(chǎn)生了圓錐誤差和劃船誤差。本文針對這種情況，將對偶四元數(shù)引入捷聯(lián)慣性/天文組合導航系統(tǒng)中。該算法將載體的旋轉和平移統(tǒng)一起來，使用螺旋矢量更新對偶四元數(shù)，

5、同時補償了圓錐誤差和劃船誤差。推導了組合導航系統(tǒng)基于加性對偶四元數(shù)的誤差模型和導航參數(shù)誤差的計算方程；把陀螺儀和加速度計的常值誤差擴充到狀態(tài)變量中，隨機誤差作為系統(tǒng)噪聲輸入，然后利用星敏感器輸出參數(shù)來校正陀螺漂移。
　　對于捷聯(lián)慣導/天文組合導航系統(tǒng)而言，地平的敏感精度是決定組合導航系統(tǒng)定位精度的重要因素。傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣性/天文組合導航系統(tǒng)受水平基準的精度限制，定位精度不高。同時傳統(tǒng)的組合模式不能準確的估計加速度計的偏置，因此不能阻

6、止載體速度和位置誤差的發(fā)散。為了解決上述問題，本文將星光折射的導航方法引入組合導航系統(tǒng)。在前人研究的基礎上，以彈道導彈為載體推導了一種捷聯(lián)慣性/星光折射組合導航的誤差模型。利用星敏感器輸出的姿態(tài)信息修正陀螺漂移，并結合大氣折射模型得到與載體位置相關的折射視高度來修正位置、速度誤差。并依據(jù)星敏感器的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了多顆折射星在導航中使用的可行性。通過可觀測性理論和仿真結果證明了：當使用多顆折射星時，可以很好的解決加速度計偏置估計不準確的問