● 摘要
随着航天器的工作环境日益复杂化，对航天器导航系统的精度与可靠性要求愈来愈高。在复杂环境下，导航系统必然会受到内部干扰、建模误差以及外部干扰等多源干扰的影响，包括器件电热噪声，器件漂移，未建模不确定和外部环境引起的干扰等，这给复杂环境下导航系统的高精度导航与定位能力带来了巨大的挑战。而组合导航系统作为当今导航领域发展的新趋势，其性能一方面与参与组合的导航传感器密切相关，另一方面也取决于所采用的多传感器信息融合算法，具体来说就是滤波算法。因此，本文在综合考虑SINS/GPS组合导航系统的优缺点的基础上，引入偏振导航方式。偏振导航作为一种新型导航手段，其可有效地弥补GPS、地磁导航等常规导航方式的不足，并可通过提供偏振方位角信息来提高导航系统的姿态观测性能。此外，本文综合考虑精度较低的MEMS陀螺所产生的不随时间周期性变化的误差对导航系统精度的影响，以及捷联惯性/卫星/偏振组合导航系统中存在的模型不确定性、内部干扰、建模误差以及外部干扰等多源干扰对系统精度的影响，着重研究了捷联惯性/卫星/偏振组合导航系统的鲁棒滤波方法，具体包括以下几个方面：
1.介绍了偏振导航系统的基本原理，并详细分析了偏振导航系统中所存在的各种误差源；其次，分析了大气中的偏振特性，并建立了偏振导航系统的模型；最后，介绍了捷联惯性导航系统和卫星导航系统的基本原理。
2.针对标准卡尔曼滤波算法在系统模型或噪声统计特性未知的条件下，滤波器性能下降的缺陷，研究了基于多目标优化原则的混合H2/H∞滤波偏振组合导航方法。考虑到系统中存在的量测噪声等高斯型干扰，以及外部环境误差等能量有界干扰对系统导航精度的影响，建立含有高斯型干扰与能量有界干扰的偏振组合导航系统模型；然后针对所建立的系统模型，设计基于多目标优化原则的混合H2/H∞滤波器，使用H2优化技术抑制高斯型干扰，使用H∞优化技术抑制范数有界干扰，同时通过极点配置加快初始阶段的收敛速度；最后通过仿真验证该方法相较于卡尔曼滤波算法可以较明显地提高滤波精度。
3.考虑惯性传感器漂移等可由外部模型描述的干扰对整个偏振组合系统精度的影响，进一步研究了一种基于干扰观测器的H2/H∞滤波偏振组合导航方法。首先，针对存在高斯型干扰、能量有界干扰和可建模干扰的偏振组合导航系统，建立含多源干扰的偏振组合导航系统模型；其次，设计一种可用于估计与抵消可建模干扰的干扰观测器，然后将其与所设计的H2/H∞滤波器相结合，达到同时抑制和抵消干扰的目的；最后，利用实验室环境下得到的导航数据和机载环境下得到的导航数据进行仿真验证该方法的有效性。
4.考虑到偏振导航系统受到大气偏振信息变化的影响，以及偏振传感器中存在的各种不确定性干扰的影响，研究了针对系统模型含有不确定性的鲁棒卡尔曼滤波算法。首先，建立含有不确定性的偏振组合导航系统模型；其次，依据标准卡尔曼滤波的最小方差性能指标，设计鲁棒卡尔曼滤波器，然后通过线性矩阵不等式方法求解滤波器增益阵；最后，利用实验室环境下的仿真数据进行仿真验证该算法的有效性。
5.针对本文提出的上述几种滤波方法，同时结合导航系统的多种组合模式，编写了基于Matlab GUI的偏振组合导航系统性能测试分析软件，可实现不同滤波方法以及不同组合模式下的导航精度与收敛速度等性能的对比，界面直观、简便。