航天器自主导航技术专题介绍

航天器自主导航技术、高空和弹道飞行器自主导航方案、近空间飞行器自主导航方案、深空探测器自主导航方案、下一代航天器自主导航方案、高精度自主导航技术、脉冲星自主导航授时技术、新惯性技术、概要、任务广度和复杂性不断提高，相应导航系统的自主性和高精度要求得到同等重视。高空和弹道飞机的自主导航目前，弹道导弹最常用的导航方法是组合导航。将不同的导航系统组合成一个组合导航系统，可以优势互补，提高导航系统的准确性和可靠性。组合导航方案：惯性/全球导航卫星系统、惯性/天文惯性/全球导航卫星系统具有精度优势。然而，考虑到全球导航卫星系统在战时的脆弱性，惯性/天文组合导航显得尤为重要。对于综合性能要求高的方案，采用惯性/全球导航卫星系统/天文组合。高空和弹道飞机的自主导航20世纪60年代，美国B-52远程轰炸机装备了MD-1天文自动罗盘/惯性导航系统。B-57远程轰炸机装备有光电六分仪KS-85/INS，观测精度为4英寸，方位精度为0.3。1970年，美国在超音速运输机上安装了CNS2INS2多普勒组合导航系统。后来开发的NAS-26 CNS2INS组合导航系统安装在b-2轰炸机等先进战斗机上。美国还在U-2高空侦察机、EP-3侦察机和SR271侦察机上采用了CNS2INS组合导航技术。20世纪80年代，CNS2INS2卫星组合导航技术已应用于“全球鹰”无人机6 9。俄罗斯在这一领域也发展得相对较早。CNS2INS组合导航已经在TU-16、20、95和160轰炸机上使用了很长时间。1.高空和弹道飞行器自主导航、多导航星座/惯性深层组合导航惯性/全球导航卫星系统超小型组合导航惯性/天文组合导航惯性/天文/全球导航卫星系统组合导航、2.1多导航星座/惯性深层组合导航。卫星导航系统的应用有两个重要问题。一是卫星信号在遮挡环境或强外部干扰环境(如室内应用)下容易丢失；二是当载体处于高速或高动态(如高速飞行器)时，卫星信号跟踪回路难以跟踪卫星信号的动态变化。为了解决这两个问题，我们提出了利用惯性导航系统和卫星导航系统进行深度组合的思想，并设计了一种适用于多导航星座的卫星/惯性深度组合算法。惯性导航系统用于辅助北斗接收机跟踪环路，提高接收机的抗干扰性能和动态性能。2.1多导航星座/惯性深度组合：多导航星座/惯性深度组合系统使用组合导航系统的输出估计伪距，并产生本地载波反馈给卫星导航接收器。内部相关器的输出I和Q及其鉴相函数用作滤波器观测测量。组合导航是通过模拟观测值中隐含的伪距误差和载波频率误差信息来实现的。该方法能够有效提高卫星导航系统的动态性能和抗干扰性能，从而提高卫星导航系统的环境适应性，为卫星导航系统的高动态应用和室内应用提供有效支持。2.1多导航星座/惯性深层组合。从比较中可以看出，深度组合导航系统直接利用相关器的输出作为滤波器的观测值，并直接利用卡尔曼滤波器来控制局部信号的产生。整个卫星导航跟踪回路和组合滤波器集成在一起。惯性导航的输出直接耦合到卫星导航，卫星导航为以下方面提供短期高精度跟踪能力卫星/惯性深度组合技术可将卫星导航的动态适应性提高到10g以上，其抗噪声干扰性能和弱信号环境下的工作性能较松组合有显著提高。2.1多导航星座/惯性深度组合、2.3惯性/天文组合，CNS2INS组合导航系统因其自主性强、定位精度高、抗电磁干扰、隐蔽性好、稳定性高等优点，在军事领域得到广泛应用。中枢神经系统可以独立地为载体提供航向和位置信息。与惯导系统结合后，惯导系统的定位和姿态确定误差得到修正，从而大大提高了导航精度。2.3惯性/天文组合，1)CNS2INS简单组合模式：该模式是最成熟、最简单的组合模式。在这种模式下，惯性导航系统独立工作，提供各种导航数据，如姿态、位置和速度。天文导航系统计算天文位置和姿态，并修正惯性导航系统的位置和姿态数据。这种组合方式已经在国内外得到广泛应用，例如，国内潜艇组合导航系统和美国B-2等大型轰炸机使用的NAS系列CNS2INS组合导航系统。然而，由于天文定位和定向依赖于惯性导航信息，而惯性导航信息本身包含误差，因此校正效果并不显著。2.3惯性/天文组合，2)基于最佳估计失准角校正的惯性导航系统-惯性导航系统组合模式：该组合使用惯性导航系统测量信息，通过最佳估计精确补偿陀螺仪漂移。新的大视场天文导航系统利用星敏感器识别实时星空信息的星图，并精确提供导航载体坐标系相对于惯性系统的高精度姿态信息。因此，该组合可以有效补偿捷联惯导系统中陀螺漂移引起的导航误差，提高组合导航系统的精度。2.3惯性/天文组合，3)具有整体最佳校正的CNS2INS组合模式：为了实现惯性导航系统的整体校正，除了模式(2)的功能之外，还必须解决高精度自主水平基准的问题，即CNS定位所依赖的水平基准不应来自惯性导航系统，精度应始终稳定且不随时间漂移。高精度自主水平基准可以采用粗基准和星光折射间接大地测量相结合的方法。该方法不仅可以补偿陀螺的随机漂移，还可以补偿加速度计等其他因素引起的误差。然而，目前这种方法只能用于30公里以上的高空飞行器，不能在全范围内应用。因此，高精度自主水平基准关键技术的突破需要进一步研究。但是，从未来发展趋势来看，这种模式最有发展前景。2.4惯性/天文/全球导航卫星系统组合，长航时无人机由于飞行距离长、飞行时间长，对导航和定位精度提出了很高的要求。捷联惯导/天文导航组合导航可以抑制但不能消除速度和位置偏差。利用捷联惯导/天文导航/全球导航卫星系统多传感器组合导航技术，可以获得运动载体的高精度姿态、速度和位置导航信息。与捷联惯导/天文导航组合导航相比，捷联惯导/天文导航组合导航增加了速度和位置观测信息，大大增加了组合导航系统的可观测状态，可以获得更完整的导航信息，同时也增加了组合导航系统的复杂性和对环境干扰的敏感性，导致组合导航系统误差模型不稳定，可靠性降低。鲁棒多目标混合滤波器在组合导航系统中的应用可以提高组合导航系统的综合性能，解决实际应用中系统模型不确定和外界干扰噪声统计特性未知的问题。2。临近空间飞行器的自主导航、多模式组合导航惯性导航系统天文和地磁雷达、激光或成像测量设备以及美国X-43A高超音速飞行器发射段的捷联惯性导航系统；巡航阶段依赖于全球卫星导航系统提供的速度和位置信息(3)深空探测器自主导航。本文所指的深空探测器是指在地球引力球范围之外的空间飞行段中多普勒相对速度的天体导航(太阳-地球-月亮-恒星视线角)。3.1分离段要求精确确定探测器脱离地球静止轨道后的轨道姿态运动状态，以便及时纠正深空探测器的入轨偏差，并确保巡航和交会等后续阶段的任务精度。在逃逸分离段，地球和月球是探测器的最佳导航目标天体，因此分离段的自主导航系统主要采用基于地球、月球和星光信息的自主导航。姿态确定是由星光观测结合惯性组件完成的。3.2巡航阶段，探测器的巡航阶段运行在地球和目标天体之间的广阔空间中，地球和目标天体之间的距离超过104公里。由于离主引力体的距离和巡航阶段的长操作时间，惯性导航测量仅适用于该阶段的姿态确定和中途修正机动测量。天文导航和图像视觉导航是满足这一阶段整体应用的可行方案。天文导航因其应用范围广、成本低、可靠性高等优点，已被应用于多项深空探测任务的巡航飞行中。巡航轨道附近的行星、小行星甚至彗星都可以用作导航观测目标，例如上文所述的深空1号自主导航方法。下一代高精度自主导航技术和现代导航观测技术的快速发展，使得时空测量精度得到了前所未有的提高。基于牛顿理论的传统导航观测模型已经不能满足高精度观测的要求，广义相对论正在成为高精度大规模时空测量的理论基础。IAU、塔尔塔利亚、苏哈瑞米、韩春浩、费宝军，以x射线脉冲星可变辐射自主导航和基于冷原子量子效应(干涉效应和原子自旋)的高精度惯性导航技术为代表的新型高精度自主导航技术发展迅速，研究需求迫切。4.1基于X射线脉冲星的天文导航，基于X射线脉冲星可变辐射信号的自主导航：下一代天文导航伍兹、谢赫、派恩斯、费宝俊、帅平、熊凯X射线源脉冲星数据库，近