一种微型矢量水听器姿态测量系统

矢量水听器姿态校正的通常做法是将姿态测量系统捷联安装在声纳平台上,这种方案无法准确测量矢量水听器的姿态变化。针对这个问题,设计了一种微型姿态测量系统,并将其捷联封装在矢量水听器内部。系统采用MEMS陀螺测量角速度,用毕卡迭代算法解四元数姿态更新方程。用MEMS加速度计和磁力计分别测量重力方向和磁北方向,再使用扩展卡尔曼滤波对解算姿态角进行实时校正。经测试,该系统横滚角和俯仰角的静态误差小于0.2°,航向角的静态误差小于0.8°。摇摆实验中,横滚角和俯仰角的动态相对误差小于2.9%,航向角的动态相对误差小于3.6%。海上试验结果证明该姿态测量系统应用于矢量水听器可明显提高目标方位估计的精度。     

基于递推最小二乘的航姿系统罗差校正

为校正姿态与航向参考系统使用环境中软硬铁产生的罗差,提出了一种利用地磁场连续转动信息补偿三轴软硬铁的方法.由于陀螺短时精度高,初始对准后短时内可得到精度较高的捷联矩阵,如果已知当地磁倾角,由捷联矩阵可将已知的地磁场投影到载体系.当航姿系统改变姿态角连续转动时,采用递推最小二乘算法来估计12个罗差参数.实验说明,与常用罗差校正方法相比,此方法在全姿态范围内效果更好,水平时航向角精度为0.3°,35°倾角航向角精度为1.1°,59°倾角航向角精度为1.2°.     

激光陀螺POS惯性数据滤波及时延补偿

激光陀螺作为位置姿态测量系统(POS)的核心传感器,其精度直接决定激光陀螺POS系统精度,围绕机抖激光陀螺信号去噪的需求,基于FIR滤波器建模的方法,设计了FIR数字低通滤波器;针对滤波器导致的信号延迟问题,根据FIR数字滤波器群延迟特性建模,提出了激光陀螺POS数据时延补偿方法。静态实验结果表明,设计的FIR数字低通滤波器降低了激光陀螺抖动噪声功率达80dB。进一步通过飞行实验表明,提出的方法降低了激光陀螺POS系统姿态角误差,与POS/AV510相比航向角误差由0.017°降低到0.01°,俯仰角误差由0.007°降低到0.005°,横滚角误差由0.016°降低到0.005°,满足了机载InSAR对激光陀螺POS精度要求。     

一种融合互补滤波和卡尔曼滤波高精度姿态测量算法

针对在4级海况下船体大幅度晃动,甚至丢失GPS信号的复杂环境,常规算法会导致姿态测量精度急剧下降的情形,为‘动中通’中的航姿系统设计了一套姿态融合算法。在GPS有效时,卡尔曼滤波的观测量引入双天线GPS输出的航向角,解决航向角观测性弱和估计不准的问题,同时引入互补滤波得到的陀螺修正量,提高了水平姿态角的可观性,融合两种算法提高了解算精度。在GPS无效时,通过互补滤波,抑制陀螺漂移,输出高精度水平姿态角,配合天线所接收信号的强度使‘动中通’正常工作。为验证算法的有效性,进行了动态实验,实验结果表明:该算法在GPS有效的情况下能保证俯仰滚动角(RMSE标准)精度在0.2°以内,航向角精度在0.5°以内,在GPS无效情况下也可使俯仰和滚动角精度长时间维持在0.3°以内,具有一定的工程应用价值。     

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。     

附加TDCP约束的无人船载GNSS/MEMS组合导航方法

针对无人船用GNSS SPP与MEMS进行组合导航时存在的定位误差大、鲁棒性差等问题，提出了一种附加TDCP约束的无人船载GNSS/MEMS组合导航方法。采用因子图方法构建无人船GNSS/MEMS组合导航系统模型，利用多频TDCP求解的历元间精密位置增量进行约束，并使用增量平滑算法进行状态估计。通过实际无人船试验，设计了六种组合方案进行性能评估，结果表明，加入多频TDCP约束后，横滚和俯仰角精度优于0.2°，航向角精度优于1°；北向、东向、地向的定位精度分别为0.270 m、0.201 m和0.464 m，最大定位误差小于0.5 m。与无此类约束相比，所提方法提高了无人船定位的精度和鲁棒性，且求解轨迹更平滑。     

一种变加速度的弹用双矢量空中对准方法

针对制导炮弹空中飞行时间短、难以实现有目的航向机动的问题,提出一种变加速度的弹用双矢量空中对准方法。首先,利用速度微分方程推导了空中对准用双矢量。然后,根据双矢量定姿的原理,采用Request算法对弹载微机械捷联惯导系统(MINS)的初始姿态进行估计,并分析了对准误差,在此基础上提出基于变加速度的弹用双矢量空中对准方法来实现弹载MINS初始姿态的最优估计。数值仿真实验结果表明:该对准方案可快速实现弹用MINS初始姿态的最优估计,其中航向角对准误差接近0.3°,俯仰角和横滚角对准误差小于0.2°,满足制导炮弹用MINS空中快速对准的要求。     

变基线约束的GNSS单频单历元姿态测量新算法

针对基于值域的GNSS姿态测量算法没有考虑工程应用中基线小动态变化的问题,推导了模糊度反约束值域搜索算法的搜索误差模型,研究了该误差模型对算法成功率的影响,分析了利用基线残差最小固定模糊度在工程应用中的不可靠性,提出了变基线约束的单频单历元姿态测量新算法:以基线长度小动态变化为约束,以惯性导航设备(INS)提供的粗略方位角、俯仰角为辅助,通过对基线长度、俯仰角、方位角三维搜索确定模糊度搜索域,以基于模糊度残余最小的无参化目标函数固定模糊度。试验结果表明,新算法能够在基线动态变化±10 cm、方位角偏差±5°、俯仰角偏差±5°情况下,实现模糊度的单频单历元固定和载体高精度姿态测量,并具有较高的成功率。     

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。     

空间稳定惯性导航系统参数的姿态误差标校法

为提高空间稳定惯性导航系统的姿态精度,利用姿态误差进行系统级参数标定和校准.首先,给出了姿态误差模型,考虑陀螺漂移、加速度计误差、壳体翻滚失准角、安装误差和框架角零偏的影响;接着,利用姿态误差模型进行可辨识性讨论和分析,总结出能分离的参数和标定方法,并据此设计试验方案.获得姿态误差后,结合最小二乘法和姿态误差模型进行系统级参数标定和校准,结果表明,参数标定误差小于15％的姿态精度指标,校准后,纵横摇角和航向角精度提高了60％和40％.     

The Method of Averaging for Euler's Equations of Rigid Body Motion

We formulate the method of averaging for perturbations of Euler's equations of rotational motion. Euler's equations are three strongly nonlinear coupled differential equations that can be viewed as a three dimensional oscillator. The method of averaging is used to determine the long-term influence of perturbation terms on the motion by averaging about the nominal rigid body motion. The treatment is applicable to a large class of motions including precession with large nutation – it is not restricted to small motions about simple spins or nearly axi-symmetric bodies. Three examples are shown that demonstrate the accuracy of the method's predictions.     

Chaotic attitude motion of a magnetic rigid spacecraft

IntroductionAttitudedynamicsofspacecraftisascientificresearchsubjectwithgreatsignificance[1,2 ].Aschaosiswidelyanddeeplyinvestigated ,muchattentionhasbeenpaidonchaoticattitudemotionofspacecraft.Itnotonlyprovidesadefiniteengineeringbackgroundforexploringchaos,butalsooffersanewviewpointfordesigningspacecraft.Ithasbeenshownthatthereexistschaoticattitudemotioninsomemodelsofspacecraft,suchasspinningsatellitesinacircularorbit,gyrostatsatellitesinthegravitationalfield ,andtetheredsatellites[3 ,4].Ho…     

万有引力场中带弹性轴双自旋卫星的姿态稳定性

本文研究由主刚体、转子及以弹性轴连接的刚性矩形平板组成的带弹性轴双自旋卫星在万有引力场中的姿态运动。用Ｌｉａｐｕｎｏｖ直接方法判断双自旋卫星在轨道坐标系内相对平衡的稳定性，导出稳定性充分条件。讨论弹性轴及刚性平板的几何和质量几何、弹性轴扭转刚度、转子转速等因素对卫星姿态稳定性的影响。     

Chaotic attitude motion of a magnetic rigid spacecraft in an elliptic orbit and its control

This paper deals with the chaotic attitude motion of a magnetic rigid spacecraft with internal damping in an elliptic orbit. The dynamical model of the spacecraft is established. The Melnikov analysis is carried out to prove the existence of a complicated nonwandering Cantor set. The dynamical behaviors are numerically investigated by means of time history, Poincaré map, Lyapunov exponents and power spectrum. Numerical simulations demonstrate the chaotic motion of the system. The input-output feedback linearization method and its modified version are applied, respectively, to control the chaotic attitude motions to the given fixed point or periodic motion. The project supported by the National Natural Science Foundation of Chine (10082003)     

THE FINITE ELEMENT ANALYSIS OF THE FLEXIBLE BEAMS AND PLATES

This paper studies large deflection problem of beam and plates by the finite elementmethod.The elongation of the middle surface caused by its rotation is considered in strain-displacement relations.The higher order terms will be reserved when strain energy iscalculated.The elastic stiffness matrix,linear and nonlinear initial stress stiffness metricesare derived by the principle of minimum potential energy.Examples show that precision willbe properly manifested although the total storage amount and the calculating time are notincreased.The iterative method with co-moving coordinate must be adopted to avoid parasiticrigid body motion.     

旋转矢量算法系数优化的参数解析法的适用性

参数解析法是一种简单直观的旋转矢量算法系数优化方法,但在子样数为4的情况下,该方法却不能得到最优系数。对此,在采用参数解析法详细推导5子样算法的基础上,结合其他学者的研究成果分析了该方法的适用性。研究表明,参数解析法仅适用于子样数不大于3的旋转矢量算法系数优化。     

万有引力场中陀螺体的混沌运动

研究万有引力场中沿圆轨道运行的非对称陀螺体的姿态运动,引入Ｄｅｐｒｉｔ正则变量建立系统的Ｈａｍｉｌｔｏｎ结构,利用Ｍｅｌｎｉｋｏｖ方法证明在万有引力短作用的昆体产生混沌运动的可能性。对Ｐｏｉｎｃａｒｅ截面的数值计算表明提高陀螺体的转子转速可对混沌起抑制作用。     

舰载弹用捷联系统初始对准时陀螺误差的估计

本文针对舰载弹用惯性系统的特点,利用舰上已有的惯性基准,在进行快速初始对准的同时,对惯性系统的陀螺误差进行估计和补偿,以提高陀螺的精度,克服逐次启动误差,满足导弹导航的精度要求。通过对系统的分析和仿真,论证了方案的可行性及有效性。     

基于Gauss伪谱法的3D刚体摆姿态最优控制

研究Gauss伪谱法求解3D刚体摆姿态最优控制问题．针对其最优姿态控制问题,既要满足由任意位置运动到平衡位置姿态运动规划问题,又要满足系统含有动力学约束的力学模型问题,提出基于四元数来描述3D刚体摆的数学模型,建立3D刚体摆姿态的动力学和运动学方程,为了解决3D刚体摆在平衡位置处的姿态最优控制问题,设计基于Gauss伪谱算法的最优姿态开环控制器,得到了3D刚体摆的姿态最优控制轨迹,得到满足的可行解,通过仿真实验验证了其开环解在平衡位置的控制姿态最优性．     

勒让德伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题

研究伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题. 针对三维刚体摆这类含有约束的力学模型,提出了基于勒让德伪谱法的三维刚体摆姿态最优控制方法. 利用插值逼近设计了三维刚体摆姿态运动最优控制算法,得到了三维刚体摆的姿态最优控制轨迹,并结合松弛参数来控制插值点的取值,寻找满足的可行解. 仿真结果表明,基于勒让德伪谱法的最优控制算法使得三维刚体摆能以较小的误差运动到期望的末端姿态,且计算速度快,能够获得精度较高的控制输入量.