运载火箭容错导航滤波方法与应用研究

作     者：沈德峰 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：穆荣军

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：容错滤波 故障诊断 卡尔曼滤波 粒子滤波 组合导航 

摘      要：运载火箭是当前应用最为广泛的空间运输工具。随着航空航天科技的发展，人类对太空资源的利用和开发越来越广泛，这就对低成本的运载火箭研发与制造提出了迫切需求。特别是对于我国来说，近年来航天活动频繁、航天发射任务量大，“北斗二代导航系统工程和“嫦娥工程的陆续实施，对我国低成本、高可靠运载火箭的研发提出了越来越高的要求。 导航系统作为运载火箭的主要系统之一，承担着导引火箭精确进入预定轨道的任务，精确的导航数据是运载火箭制导与控制系统正常工作的基础。因此有效地开发低成本、高可靠的导航系统将会在一定程度上降低运载火箭成本和提高系统的可靠性。 根据对运载火箭全包线飞行过程环境分析，结合国内外已经成熟的导航技术，论文提出了利用“冗余捷联惯组+全球导航定位系统（GPS）的运载火箭导航系统设计方案，该方案既能在保证导航定位精度的前提下，避免了采用平台式惯性导航系统带来的结构笨重、体积大和费用昂贵等问题。 建立了运载火箭六自由度动力学和运动学模型，介绍了捷联式惯性导航系统和GPS导航系统的导航定位原理，给出了导航解算方法。在对运载火箭飞行环境特性、惯性导航原理和GPS导航原理分析的基础上，分别建立了捷联式惯性导航系统和GPS导航系统的故障模式模型，并采用直接比较测量值法和奇偶校验法对冗余惯组测量数据进行可用性分析，在一定程度上提高了惯性导航系统的可靠性，降低了对单个惯性测量元件可靠性要求，从而在保证导航精度和导航系统可靠性的前提下有效的降低了导航系统的开发成本。 分别采用了基于卡尔曼滤波理论和粒子滤波理论的容错导航滤波方法对GPS和惯性导航系统的导航数据进行有效整合。建立了SINS/GPS容错组合导航系统模型。利用GPS导航定位精度高且不随时间漂移的特点，有效的修正了捷联式惯性导航系统随时间累积的导航定位误差，降低了对惯性导航系统测量精度的要求，也提高了导航系统的容错能力，从而有效的降低了导航系统成本、提高了导航系统的可靠性。即为低成本、高可靠的运载火箭导航系统开发提供了参考，具有较好的工程参考价值。