基于地球红外辐射场的旋转弹丸姿态测试方法

针对微惯性器件无法满足高转速弹丸飞行过程中的滚转姿态测量要求的问题,提出了基于地球红外辐射场的旋转弹丸姿态测试方法。首先,研究了地球红外辐射场的产生机理和特性,分析了天地间红外辐射率的变化规律。然后,结合旋转弹丸在飞行过程中的运动特征,建立了红外传感器测量模型,推导了弹丸姿态与传感器感测信号的函数关系。最后,合理布局红外传感器,基于误差传递的原理,改进了常规的姿态解算算法,进一步提高了传感器测试信号的利用率。结果表明,利用地球红外辐射场测姿具有较高的精度,俯仰角解算误差在±0.3°以内,改进解算方案的横滚角解算误差在±0.5°以内。该姿态测量系统简单有效,能够满足旋转飞行体的姿态测量要求。     

利用地磁与红外辐射融合的姿态估计方法

针对目前导航控制系统多元化、新型化、低成本的要求,提出了一种利用地磁与红外辐射融合的姿态估计方法。在分析地球红外辐射场的组成及其产生机理的基础上,采用普朗克黑体辐射定律构建红外传感器的姿态测量模型,并将其与地磁三分量姿态测量模型结合,推导了红外与地磁复合的姿态测量模型。基于推导出的红外与地磁复合测量模型,设计了自适应扩展卡尔曼滤波切换姿态估计算法。研制了红外与地磁复合姿态测试系统的半实物装置,利用三轴转台开展了半实物验证实验。所提出的方法在加入红外屏蔽的情况下能够迅速进行调整,将俯仰角、横滚角、航向角估计误差分别保持在±1°、±1.5°、±1.5°以内。该姿态估计方法大大降低了姿态角的估计误差,表明红外与地磁复合的测姿方法有效可行,抗干扰能力较强。该方法适用于旋转弹体的姿态估计。     

基于偏振光及红外传感器的辅助定姿方法

为了满足无人飞行器自主导航需求,提出了一种偏振光及红外传感器辅助惯导定姿方法。该方法选取了姿态四元数和陀螺误差模型构建滤波状态向量,采用偏振光传感器、红外传感器测量的三维姿态角作为量测向量建立卡尔曼滤波模型;融合后的最优姿态四元数转换为姿态矩阵反馈至惯性导航系统中,修正位置、姿态信息的解算。在分析了捷联惯导力学编排的基础上,参考常见的惯导系统参数进行了动态仿真。结果表明:偏振光、红外传感器可以有效地修正惯导姿态误差,修正后输出精度与偏振光、红外传感器输出精度相当,分别保持在±0.2°和±1°。提出的新型辅助定姿方法为提高惯导系统精度提供了一种新思路,具有广阔的应用前景。     

基于磁/惯性传感器旋转弹体定姿的Kalman滤波器设计

微惯性传感器精度较低,其漂移会引起很大的姿态误差,不能提供长时间稳定姿态;磁传感器组合的姿态角误差不随时间累积但姿态角更新速度慢。针对这一问题提出了利用磁/惯性传感器构建低成本姿态探测系统的方案,设计了Kalman滤波器融合二者信息——以磁传感器解算的姿态角和等效旋转矢量法解算的姿态角之差作为观测量,以惯性传感器的漂移和姿态误差角作为状态变量,整个解算过程无需使用地磁场强度。仿真结果表明了该算法的有效性,二者组合定姿可实现高精度的姿态测量。     

基于十二加速度计的GFSINS安装误差标定及补偿

针对高速旋转弹姿态解算精度不高的问题,提出用微小型加速度计构成无陀螺微惯性测量单元GFMIMU,为旋转弹提供完整的导航信息.设计并制作了一种十二加速度计的惯组实物模型,并在此基础上分别提出了方向安装误差角及位置安装误差的标定方案.根据存在安装误差的角速度解算精确数学模型,采用一种优化算法--最小二乘优化迭代方法,可以精确地补偿加速度计的安装误差.仿真结果表明,经补偿后误差被有效抑制,在20 s内姿态角的累积误差均能保证在以内,满足高精度姿态解算要求,具有一定实际应用价值.     

一种用于无人机姿态测量的红外地平仪算法改进

针对现有算法存在的飞行前必须进行环境参数标定,无法抑制飞行过程中环境参数漂移的缺陷,提出了一种无人机红外地平仪姿态解算的改进方法。该算法简化了传感器模型,使得姿态解算方程消去了环境参数,实现了无需在飞行前进行环境参数标定,简化了使用流程,并克服了飞行过程中环境参数漂移对姿态解算精度的影响,还避免了现有方法中需切换解算方程导致的误差跳跃。地面实验证实了改进方法相对现有方法的改进,验证了改进模型的准确性。机载飞行实验结果表明,在实际飞行中姿态角测量精度得到提高,误差连续平滑;滚转角度与俯仰角度的均方根误差由原有的4.4°和2.8°,降低至1.9°和1.8°。利用基于该算法的红外地平仪使固定翼无人机实现了自主飞行。     

椭圆截面弹体斜侵彻金属靶体弹道研究

为研究椭圆截面弹体对半无限金属靶体的侵彻弹道规律,基于14.5 mm弹道枪平台,开展了椭圆截面弹体在0°～20°倾角、850～950 m/s撞击速度下对2A12铝合金的斜侵彻试验。基于空腔膨胀理论及局部相互作用模型,建立了椭圆截面弹体侵彻弹道模型,并结合试验数据验证了模型的准确性。在此基础上,进一步分析了椭圆截面弹体长短轴之比、绕弹轴旋转角度、弹体撞击速度对侵彻弹道的影响规律。弹体长短轴之比为1.0时,弹体退化为尖卵形圆截面弹体,且椭圆截面弹体侵彻弹道稳定性随长短轴之比的增大而变弱,最优长短轴之比为1.0,即尖卵形圆截面弹体。椭圆截面弹体绕弹轴旋转一定角度后,侵彻弹道在平面曲线与空间曲线之间变化,当旋转角度为0°、90°时,侵彻弹道为二维平面弹道,当旋转角度在0°～90°之间时,侵彻弹道为三维空间弹道。当弹体撞击速度由800 m/s提升至1000 m/s时,椭圆截面弹体姿态角增量由18.6°降至17.8°。     

船用捷联惯性导航系统姿态算法精度评估研究

分析了捷联惯性导航系统姿态解算中不可交换性误差产生原因，提出并分析了一种旋转矢量误差估计模型，并从该模型出发推导了几种高精度的捷联姿态算法，提出了由角速度提取角增量的梯形算法。以船舶为应用对象，进行了数字仿真和算法精度分析比较，结果表明：等效旋转矢量法和梯形算法可以提高系统的姿态解算精度。     

自旋导弹捷联式陀螺/地磁姿态测量方法

为了解决自旋导弹姿态测量遇到的高自旋角速率超过陀螺量程的问题,提出了一种利用敏感轴垂直于弹轴的双轴微陀螺与三轴地磁传感器组合测量解算自旋导弹姿态的方法.首先,建立了利用三轴地磁场传感器与双轴微陀螺进行姿态测量的解算模型,该模型利用双轴陀螺测得的载体弹轴垂直面的角速度提供俯仰角的微分,结合三轴地磁场传感器的输出解算出当前载体的姿态;接着讨论了模型解算中出现的增根的问题与正确解的判断方法;最后在传感器输出附加白噪声与弹体摆动条件下对该方法进行了仿真,得出在100 s的时间内,1800(o)/s的自旋角速度条件下姿态解算误差角为2°.仿真结果表明该方法可以直接解算三个姿态角均为动态变化的自旋弹的姿态角,因此可用于自旋导弹的姿态测量.     

四环空间稳定平台姿态角的解算

不同于当地水平稳定系统,空间稳定系统中的姿态角信号不能够由平台框架角直接测量,而必须经过一系列计算才能够产生。为指导四环空间稳定平台的姿态角解算,在坐标变换的基础上,推导了平台姿态角的解算方程,设计了姿态角解算中的关键系统—高精度平台框架角测量系统。在此基础上,给出了姿态角解算的算法流程。系统测试结果表明,该方法能够正确解算四环空间稳定平台惯导系统的姿态角,在采用精准的陀螺漂移模型并引入外速度及高度阻尼后,姿态计算的数据处理误差可以控制在20″以内,能够满足高精度惯性导航系统的需要。     

基于红外辐射的爆炸火焰温度补偿测算技术

应用辐射测温法进行爆炸火焰温度测试时,火焰发射率取经验定值的方法与火焰燃烧机理存在较大的偏差,同时测点距离与环境温湿度也会导致不同程度的热辐射衰减,从而影响爆炸火焰温度的测量精度。本文针对上述两个问题,基于大气辐射理论与光学传播规律,提出了辐射路径衰减补偿模型,结合由红外热像仪和比色测温仪测量的爆炸火焰动态发射率,对爆炸场火焰真温进行联合反演,并将测算结果与比色测温仪测得的火焰表面温度进行对比,得到了反演温度误差范围。试验结果表明,利用本文所提出的补偿模型测算得到的爆炸火焰温度,误差由补偿前的55.699%～89.847%降低到11.292%～59.077%,有效提高了外场爆炸瞬态火焰温度的测算精度。     

爆炸场瞬态高温测试的实验研究

针对爆炸场瞬态高温测量需求,从辐射测温原理出发,建立红外比色测温系统。通过黑体炉实验标定出Si/Ge双通道比色测温仪的波长、带宽、光电转换系数等工作参数和测温范围,并将比色测温仪高温测温量程扩展至3 500℃。利用大能量电火花放电产生的爆炸场标定了测温仪的响应时间,结果显示测温仪响应时间不超过10μs。确定了标准测温仪和超限测温仪的温度计算公式,并将比色测温仪应用于TNT柱状炸药和云爆剂（FAE）爆炸场温度测试,可以为爆炸反应过程诊断和爆炸温度毁伤效应评估提供依据。     

两位置法快速测定近钻头惯性测量模块的温漂模型

近钻头惯性测量模块(Near-bit Inertial Measurement,NIM)用于石油钻井中实时测量导向外套的姿态角,是导向钻进闭环控制中的重要组成部分。它采用三轴加速度计组合测量重力加速度实现姿态角测量。为了提高加速度计在工作温度范围内的测量精度,需对其进行温漂模型标定。针对三轴加速度计组合的传统12位置翻滚温度模型测定方法存在耗时长、操作效率低的局限性,提出一种新的加速度计三轴组合温度模型标定方法——两位置法,并通过实验验证了温度补偿的效果。在10℃~150℃的温度范围内,补偿后加速度的测量精度达5×10~(-4)g,完全满足NIM测量姿态角的要求。     

一种新的磁传感器辅助弹载接收机跟踪环路的方法

针对弹载接收机高速旋转的特性,提出一种利用磁传感器测量弹体姿态,补偿旋转引起的载波多普勒频移和相位偏移的方法。首先,根据弹丸弹道学特征,推导弹体高速旋转引起的载波频移和相位偏移与弹体姿态的表达式;其次,研究了接收机载波跟踪环路的跟踪门限与弹体动态应力的关系;然后,给出弹体坐标系中,磁传感器测量弹体姿态的算法——极值比值法和积分比值法。仿真试验结果表明,磁传感器弹体姿态估计的方法能够有效降低弹载接收机跟踪环路的跟踪门限,其载噪比降低了3 dB·Hz,环路带宽减小了100 Hz以上,提高了弹载接收机GNSS信号跟踪能力。     

卫星姿态测量信息的卡尔曼滤波技术研究

本文在研究由陀螺仪、红外地球敏感器和太阳敏感器组成的卫星姿态测量系统的基础上，应用了改进的卡尔曼滤波算法进行信息处理，克服了卡尔曼滤波器的发散现象。本文还提出了限定增益系数的方法，以抑制俯仰角过大的估计误差。本文设计的卡尔曼滤波器适用于对地观测卫星的测量系统，能获取较低噪声的姿态测量信息。     

近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法

在导向钻井系统的姿态测量过程中,由于近钻头强振动的影响,导致姿态参数测不准甚至不可测,为了消除有规律的干扰、振动等对测量准确性的影响,快速解算出准确的钻具姿态,提出一种新的多源动态姿态组合测量方法。采用三轴加速度计、三轴磁通门以及角速率陀螺仪等构成测量系统,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,研究钻具运动状态与振动加速度之间的关系,根据模型及噪声特性,采用基于四元数的无迹卡尔曼滤波方法对振动干扰信号进行滤除。试验结果表明,采用提出的方法能够消除近钻头干扰对姿态参数测量的影响,井斜角在5.2°左右,工具面角误差小于10°,有效地提高了导向钻井工具姿态动态测量的准确性。     

基于激光陀螺自适应补偿的船体变形测量方法

基于长期变形、动态挠曲变形以及陀螺随机零偏的状态方程,构建了激光陀螺测量的惯性姿态匹配最优滤波器,可以实时地估计出船体变形角。针对实时估计的长期变形角具有偏置误差的问题,推导了惯性姿态匹配的误差方程,指出动态挠曲变形角与船体惯性姿态角之间具有长时间的交叉相关耦合作用导致了长期变形角估计具有偏置误差,并提出了对输入到最优滤波器的激光陀螺角增量进行自适应补偿的方法来抑制偏置误差。实验结果表明,补偿后俯仰角、横滚角和艏挠角的偏置误差均方根均小于5″,较补偿前降低均方根误差约为5″,该自适应补偿方法可有效地抑制偏置误差,提高惯性姿态匹配方法在船体变形测量应用中的有效性。     

考虑空气阻力和地球自转的远程抛射体的研究

针对地球表面坐标系计算远程抛射体落地时间和位置的不足,通过两种方法获得远程抛射体的落地信息. 首先通过在地球表面建立空间直角坐标系计算出考虑空气阻力和地球自转情况下任意抛射角的抛射体的解析解,然后获得了在地球表面所建立的空间直角坐标系与地心坐标系的转换关系式,以抛射体与地心的距离为地球半径作为落地点的条件来计算落地时间和落地位置. 另外,采用球面坐标系表示抛射体的位置、速度及加速度,通过数值计算方法获得抛射体的落地信息. 两种方法所得的结果比较接近,因此两种方法来获得远程抛射体的落地信息都是可行的.     

火箭弹大动态单轴平台惯导系统姿态算法

火箭弹在飞行中常采用滚转稳定的控制方式,其滚转角速度的动态范围很大,因此实时、准确地测量滚转角速度和滚转姿态角成为制导火箭弹控制的关键问题。大动态单轴平台惯导系统将IMU安装在沿滚转方向的稳定平台上,通过伺服电机驱动单轴平台相对于弹体反旋,隔离滚转方向的大动态角速度,为IMU提供平稳的测试环境。介绍了大动态单轴平台惯导系统的组成和功能,搭建了样机,推导了惯导姿态解算的数学模型。经过120 s半实物仿真试验,系统俯仰姿态角误差<4°,偏航姿态角误差<3°,滚转姿态角误差<25°,结果验证了整体方案的可行性和姿态解算模型的正确性。为进一步提高姿态解算精度,搭建单轴平台组合导航系统,实现全部导航信息的高精度测量打下了基础。     

基于自适应联邦滤波的传递对准算法

为了提高传递对准的对准速度和对准精度,研究了基于自适应联邦滤波的"速度 姿态角"传递对准的算法,在状态变量中加入了安装误差角和挠曲变形角,在算法中进行了估计并补偿。为了保证滤波的实时性,采用联邦滤波的方法,分别建立了速度匹配子滤波器、姿态角匹配子滤波器和主滤波器的模型,给出了状态方程和量测方程。在子滤波器中利用模糊控制器对噪声特性进行了自适应调整以解决系统噪声和量测噪声是未知情况下滤波发散或者精度不高的缺点从而增强系统的鲁棒性。最后在载体匀速直线加三轴摇摆的运动模型下进行了仿真,结果表明该方法能够有效地估计安装误差角和部分挠曲变形角,并且能够以一定精度完成初始对准。