直接敏感地平的空天飞行器惯性∕天文组合方法

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1、中国空间科学技术2013年6月ChineseSpaceScienceand’I、echnology第3期直接敏感地平的空天飞行器惯性／天文组合方法张承熊智王融刘建业彭惠(南京航空航天大学导航研究中心，南京210016)摘要传统的惯性／天文位置组合导航系统中，由于天文定位观测输出耦合了水平观测平台基准误差，往往存在系统噪声与量测噪声不完全独立的问题。针对此问题，分析了利用天文观测量修正惯性系下陀螺漂移的原理，提出了一种直接敏感地平进行天文解析定位及组合滤波的空天飞行器自主导航定位方案，并建立了相应的组

2、合滤波模型。所提出的方法采用星敏感器和陀螺仪构造惯性基准，并在此基础上进行基于红外地平仪的天文定位解算，最后进行惯性／天文组合定位。该方案充分利用了星光敏感器在惯性系下姿态测量精度高的优点，并使惯性／天文组合定位滤波中状态噪声和观测噪声完全独立，仿真结果验证了该定位方法的有效性。关键词卡尔曼滤波红外地平仪星敏感器组合导航惯性导航系统空天飞行器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．03．010l引言空天飞行器(AerospaceVehicle)是一种从地面或者空中发射、穿

3、越大气层、进入太空、在轨停留或机动以执行任务，并最终再人大气层返回地面的飞行器，也是一种可以重复使用的飞行器。由于空天飞行器的实时定位精度对超远程精确打击能力有很大影响，空天飞行器对导航系统的测量实时性和精确性提出了极高的要求，为确保攻击精度，飞行器的定位精度通常要求达米级，姿态精度需达到角秒级。星敏感器作为一种高精度的天文姿态敏感器，越来越广泛应用于自主导航领域口。3]。星敏感器可以在不需要任何外部基准信息的前提下，直接精确测量获得载体相对于惯性坐标系下的姿态信息，且其测量精度在导航全程保持稳定，

4、现有最高精度可以达到角秒级[1屯]。现阶段将星敏感器用于机载导航领域的主要原理是：在地理系下通过引入惯性导航位置误差转换矩阵和姿态误差转换矩阵，建立星敏测量的惯性姿态到惯性导航计算输出的地理系姿态之间的耦合误差模型，从而直接在地理系下实现组合导航，避免了独立维护地理系下姿态组合算法的需要。但从上述基本原理可以看出，由于其状态方程建立在地理系下，因此，系统方程观测噪声和量测方程噪声中都耦合进了水平基准误差，致使二者存在相关性，导致卡尔曼滤波效果变差；另一方面，如果在惯性／天文组合导航系统中仅用星敏感器

5、对陀螺进行修正，则加速度计的误差不可观，不能达到使系统位置误差收敛的效果[4。6J。本文针对上述问题，提出了利用星敏感器和红外地平仪构建水平姿态基准的空天飞行器惯性／天文组合定位方案，数字仿真表明组合滤波算法能获得较好的组合导航精度。国家自然科学基金(9lol6019)；航空科学基金(2011zCs2044)；江苏省高校青蓝工程；江苏高校优势学科建设工程}中央高校基本科研业务费专项；南京航空航天大学博士学位论文创新与创优基金(BcxJl0一05)资助项目收稿日期：2012一08—22。收修改稿日期：

6、2012—10一172013年6月中国空间科学技术2直接敏感地平的惯性／天文组合导航方案2．1总体方案传统机载天文定位有基于等高圆思想的单星、双星或多星定位方法，以及高度差或解析高度差法等。这些方法在实施过程中，需要使用天文敏感器对导航星进行搜索，确定导航星之后由伺服机构实现对其跟踪，同时测量导航星的高度角、方位角信息，并进行天文导航定位解算。然而，在应用这些方法进行天文定位解算时，必须获得当前位置的水平姿态基准信息；在传统的惯性／星光组合环境下，唯一能够提供水平基准信息的，就只有惯性导航输出的姿态

7、信息。由于惯性导航受到陀螺和加速度计漂移误差的影响，其导航精度随时间而发散，因此，利用惯性导航输出所建立的计算地理水平坐标系，必然不等同于实际的地理水平坐标系。如果要直接实现地理系下的位置组合，则量测误差必然耦合了惯导提供的水平基准误差，这就使得量测噪声和状态噪声存在相关性，导致滤波器无法实现最优滤波。而且，单纯依靠星光姿态组合无法抑制系统定位误差发散的趋势，导致长时间飞行条件下惯性／星光位置组合无法使用。为解决由于星光惯性姿态转换到地理坐标系下带来的量测噪声和状态噪声不独立的问题，以及长时间飞行条

8、件下，单纯依靠星光姿态组合无法保证定位精度不足的问题，本文提出如下解决方案：1)利用星敏感器可高精度测得飞行器在惯性系下姿态信息的优点，首先利用星敏感器信息直接修正惯性导航系统在惯性系下的陀螺漂移误差和惯性下的惯性姿态误差，从而获得飞行器在惯性系下的高精度姿态信息；2)再利用红外地平仪测量的惯性系下地平信息，通过相应的矩阵变换关系，结合天文解析定位方法计算获得飞行器在当地地理系下的经纬度位置信息，最后利用此位置信息对惯导在地理系下的定位误差进行组合修正。本文所设计的直