空間地磁場應(yīng)用的若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、地磁學(xué)是一門古老的基礎(chǔ)學(xué)科，同時也是一門具有多樣性的應(yīng)用學(xué)科。地磁場應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了人類航海、探險、貿(mào)易、戰(zhàn)爭及文化的進(jìn)步。本文以空間地磁場應(yīng)用技術(shù)為研究對象，分析電動力繩系磁彈性屈曲問題，設(shè)計飛行器沿等磁線飛行控制與制導(dǎo)方案，開展地磁導(dǎo)航定位算法等關(guān)鍵技術(shù)的研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、叛芯苛舜艌霏h(huán)境下電動力繩系微小系繩段的非線性動力學(xué)分析方法。電動力繩系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性且運(yùn)動過程中存在復(fù)雜的多場耦合,現(xiàn)有動力學(xué)模型

2、對空間磁場給電動力繩系運(yùn)動帶來的影響考慮較少，難以揭示繩系結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理。針對這些不足，論文以彈性桿模型建立微小系繩段的動力學(xué)方程，研究均勻磁場環(huán)境下系統(tǒng)的分岔特性。彈性桿模型由一個四維哈密頓方程進(jìn)行描述，基于方程的對稱性分析了一定參數(shù)條件下系統(tǒng)的同宿軌解，并給出了相對應(yīng)的空間構(gòu)型。數(shù)值分析表明當(dāng)參數(shù)改變時，發(fā)生同宿軌分岔。結(jié)果揭示了彈性結(jié)構(gòu)在耦合場作用下的不穩(wěn)定性，對電動力繩系及與之相關(guān)的載流繩索技術(shù)的開發(fā)有指導(dǎo)意義。
　?、漆槍?/p>

3、電動力繩系的穩(wěn)定性問題，研究了電動力繩系磁彈性屈曲問題。利用Kirchhoff彈性桿方程建立留位狀態(tài)下電動力繩系模型，并采用國際參考地磁場模型對地磁場進(jìn)行數(shù)值分析。分別對載流桿的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，給出了系統(tǒng)出現(xiàn)分岔現(xiàn)象的臨界值。結(jié)果表明，隨著角速度的增加，使系統(tǒng)發(fā)生分岔的磁場強(qiáng)度臨界值逐漸減小。
　?、翘岢隽艘环N新的沿等磁線飛行的巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)方法。利用雙線性插值方法在地磁圖中實現(xiàn)地磁等值線的提取，并考慮導(dǎo)彈的動態(tài)約束進(jìn)

4、行路徑跟蹤。建立了導(dǎo)彈巡航段的動力學(xué)方程，利用動態(tài)逆制導(dǎo)方法進(jìn)行仿真試驗。仿真結(jié)果表明，導(dǎo)彈沿著地磁等值線飛行在理論上是可行的，當(dāng)確定好等值線飛行路徑后，導(dǎo)彈可以通過控制沿等磁線進(jìn)行飛行。
　　⑷對擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF），Unscented卡爾曼濾波（UKF），粒子濾波（PF）和擴(kuò)展卡爾曼粒子濾波（EKPF）等四種不同的非線性濾波技術(shù)在飛行器巡航階段地磁導(dǎo)航的應(yīng)用進(jìn)行了研究。利用曲面樣條方法建立了基于實測區(qū)域地磁數(shù)據(jù)的觀測方程，

5、針對不同飛行路徑及不同初始狀態(tài)偏差開展了仿真試驗。仿真結(jié)果表明，當(dāng)?shù)卮艌鲂畔⒈容^豐富時，四種濾波技術(shù)濾波效果均滿足飛行器定位要求，其中 UKF表現(xiàn)最好。由于UKF的濾波效果受參數(shù)的影響，利用遺傳算法對濾波參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化選擇，并進(jìn)行了魯棒性分析。分析結(jié)果進(jìn)一步驗證了該方法的可行性。
　　⑸對特征提取在地磁匹配中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，從地磁場的總強(qiáng)度中提取出地磁熵作為匹配特征量，并利用真實地磁場數(shù)據(jù)對其性能進(jìn)行了測試。匹配過程分為粗匹配和

6、精匹配，粗匹配過程是利用地磁場總強(qiáng)度作為匹配特征量確定一個相對較小的匹配子區(qū)域，然后在子區(qū)域內(nèi)利用地磁熵進(jìn)行精匹配，以獲得最終結(jié)果。仿真結(jié)果表明，利用地磁熵作為輔助特征量可以顯著改善導(dǎo)航效果，特別是在地磁場信息變化不夠明顯的地方，匹配概率遠(yuǎn)高于僅使用總強(qiáng)度作為匹配特征量所對應(yīng)的結(jié)果?？臻g地磁場應(yīng)用技術(shù)的研究，涵蓋了地磁學(xué)、非線性動力學(xué)、飛行力學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域。論文所涉及的研究問題在航空航天領(lǐng)域前景廣闊，相信研究成果對于我國空間地磁場應(yīng)用