提高轨道机动飞行器组合导航精度的方法研究

论文摘要

编队飞行、空间攻防和交会对接是近年来国际航天领域研究的热点,因而长时间、大范围的轨道机动成为迫切的需求。高精度的导航是实现轨道机动的必要条件。本文结合国家863计划项目,根据组合导航的特点,重点研究了轨道机动过程中提高导航精度的方法。具体的研究内容总结如下:综合考虑地球扁率、日月引力、太阳光压和大气阻力等主要摄动因素的影响,在地心赤道惯性系下建立飞行器的轨道动力学模型。研究了SINS的基本原理和组成,根据轨道机动的特点,提出使用旋转矢量法进行姿态解算,并给出基于旋转矢量法的捷联惯导系统导航算法的程序编排,推导了捷联惯性导航系统误差方程,并进行数学仿真。研究了SINS/GPS组合导航中卡尔曼滤波技术的应用问题。给出了组合导航的状态方程和量测方程,并通过数学仿真验证了该组合导航算法的可行性。最后,考虑GPS信号失锁情况,提出了使用BP神经网络方法辅助进行误差估值。根据轨道机动中捷联惯导系统输出的位置和速度信息作为BP神经网络训练的输入,而卡尔曼滤波器输出的位置和速度误差估计补偿值作为BP神经网络的期望输出,对BP神经网络进行实时训练,当GPS信号失锁时,使用训练过得BP神经网络进行误差估计,对该算法进行了仿真和分析,验证了算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.2.1 组合导航系统研究
• 1.2.2 滤波方法研究
• 1.2.3 高精度导航的应用
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 组合导航基础理论
• 2.1 常用坐标系及其转换关系
• 2.1.1 常用坐标系
• 2.1.2 坐标系的转换
• 2.2 姿态矩阵的计算
• 2.2.1 方向余弦法
• 2.2.2 欧拉角法
• 2.2.3 四元素法
• 2.2.4 等效旋转矢量法
• 2.3 轨道机动飞行器轨控动力学模型
• 2.3.1 轨道动力学基本方程
• 2.3.2 轨道摄动方程
• 2.3.3 轨道摄动力
• 2.4 轨道机动飞行器姿控动力学模型
• 2.4.1 姿态动力学基本方程
• 2.4.2 环境力矩
• 2.5 本章小结
• 第3章 捷联惯导系统的导航算法及其仿真
• 3.1 捷联惯导系统的原理
• 3.2 捷联惯导系统姿态算法的比较和选择
• 3.3 捷联惯导系统的导航算法编排
• 3.4 捷联惯导系统的误差分析
• 3.4.1 SINS 误差源
• 3.4.2 SINS 误差模型
• 3.5 捷联惯导系统的仿真分析
• 3.5.1 轨迹仿真器
• 3.5.2 陀螺仪仿真器
• 3.5.3 加速度计仿真器
• 3.5.4 SINS 仿真及结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 轨道机动飞行器SINS/GPS 组合导航研究
• 4.1 SINS/GPS 组合导航系统
• 4.1.1 组合导航的分类
• 4.1.2 组合导航的基本方法
• 4.1.3 SINS/GPS 组合导航系统的状态方程
• 4.1.4 SINS/GPS 组合导航系统的量测方程
• 4.2 卡尔曼滤波方法
• 4.2.1 离散型卡尔曼滤波原理
• 4.2.2 连续系统的离散化处理
• 4.3 SINS/GPS 组合导航系统仿真
• 4.3.1 初值设定
• 4.3.2 仿真步骤
• 4.3.3 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于BP 神经网络的组合导航系统
• 5.1 轨道机动过程中GPS 失锁情况
• 5.2 BP 神经网络
• 5.2.1 BP 学习算法
• 5.2.2 BP 学习算法的改进
• 5.3 基于BP 神经网络的组合导航算法设计
• 5.3.1 BP 神经网络的样本输入
• 5.3.2 BP 神经网络的隐层选择
• 5.3.3 BP 神经网络算法设计
• 5.4 BP 神经网络仿真
• 5.4.1 仿真步骤
• 5.4.2 仿真结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢