粒子滤波在惯导系统非线性对准中的应用

首先介绍了粒子滤波中自举滤波的原理和算法，说明该算法可用于处理非线性系统的状态估计问题。进而列出了捷联惯导系统速度误差方程和姿态误差方程，并将其用于惯导系统非线性对准。最后，通过对仿真结果的分析，指出通过结合粒子滤波和传统的扩展卡尔曼滤波，可以得到一种精度优于卡尔曼滤波，而计算量小于粒子滤波的非线性滤波方法。     

大方位失准角下舰载机传递对准技术

为了提高舰载机的生存能力、快速反应能力以及机载导弹的命中率,必须快速准确地完成舰载机惯导系统的初始对准.由于舰船所处的环境比较复杂而且受到诸多干扰因素的影响,通常采用传递对准方法来解决舰载机惯导系统的初始对准问题.针对大方位失准角下舰载机惯导系统的传递对准问题,详细推导了速度加姿态匹配传递对准的非线性模型,然后采用UKF滤波算法进行数学仿真.仿真结果表明,舰船在中等海况下的不同机动运动对传递对准基本没有影响；采用不同频率的UKF滤波算法,则在20 Hz时传递对准误差较低频时小一倍.     

经纬仪测星评估惯导系统姿态角误差方法

针对动态条件航天测量船惯导系统姿态角精度鉴定和评估这个困扰多年的难题,提出一种利用经纬仪观测恒星对惯导姿态角误差进行解算的方法:用短时间(每颗星记录2 s)观测方位角大致均匀分布的多颗恒星数据解算惯导姿态角误差的稳态分量;用较长时间(每颗星记录200 s以上)观测特殊方位角单颗恒星的数据,观察惯导姿态角误差的动态特性,详细介绍了该方法数学模型的推导过程,从理论上分析了该方法各种数据误差源对解算精度的影响,并利用实际观测数据对惯导姿态角误差稳态分量和动态特性进行了解算和观察,结果与航天测量船惯导系统的设计指标基本吻合,表明该方法可以作为评估航天测量船惯导系统姿态角动态精度的一种有效手段.     

大方位失准角的舰载武器INS对准

研究了舰载武器惯导系统（INS）大方位失准角的传递对准问题。首先，给出了适用于大方位失准角的INS姿态误差和速度误差传播模型。然后，提出了一种改进的利用速度＋角速率匹配的传递对准算法，该算法能够借助海浪引起的舰船运动进行传递对准。通过基于奇异值分解的卡尔曼滤波器（SVD-KF）的引入，给出了非线性滤波算法的实现方案，并对SVD-KF和EKF在大方位失准角的舰载武器INS对准就姿态失准角的估计精度和收敛速度进行了比较。仿真结果验证了所提大方位失准角传递对准算法的可行性。     

采用粒子滤波的捷联惯导非线性快速初始对准算法

针对常规捷联惯导静基座初始对准模型维数高,难以保证粒子滤波实时性的问题,提出了一种适用于粒子滤波的二位置非线性快速初始对准模型。该模型利用二位置方法消除惯性器件的常值误差,因此无需对惯性器件误差进行状态扩展,从而在保证对准精度的前提下降低了粒子滤波的运算量。在二位置非线性快速初始对准模型中航向角是直接可观测的,因此可以提高航向角的对准精度和速度。仿真结果表明,采用基于粒子滤波的二位置非线性快速初始对准方法,水平姿态精度在6″以内,航向角精度为10′以内,还较好地满足了粒子滤波应用于捷联惯性导航系统初始对准中的实时性要求,有效提高了初始对准的速度。     

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。     

惯导系统初始对准的非线性滤波算法

本文推导了方位误差角比较大时惯导系统初始对准的误差方程,在这个误差中包含了非 线性的部分。在方位误差角较小时,可将非线性的对准方程简化为线性的对准方程。用卡尔曼 滤波对线性系统进行仿真,用扩展卡尔曼滤波、迭代滤波、二次滤波对非线性系统仿真。比较仿 真结果可见,扩展卡尔曼滤波可大大提高方位对准的精度,而迭代滤波、二次滤波在方位角上 又比扩展卡尔曼滤波的精度高。     

基于Rodrigues参数和量测非线性的SINS/GPS动基座对准

对GPS辅助下,捷联惯导系统动基座对准问题进行了研究。利用姿态阵分解,将动态对准问题转换为一个常值姿态的估计,采用Rodrigues参数进行姿态描述,建立了系统方程线性,量测方程具有二阶非线性的对准模型,进而推导了基于二阶非线性量测完整泰勒级数展开的滤波算法。同时,对Rodrigues参数描述姿态时的奇异点问题进行了详细地讨论,设计了能自动判别并规避奇异点的滤波对准方案。以车辆典型机动轨迹为对象进行了蒙特卡洛仿真,结果表明,所设计算法能够在5 s内实现奇异点的判别及处理,且当GPS速度误差为0.1 m/s,位置误差为3 m,更新率为1 s时,惯性级捷联惯导系统在120 s时间内,可以达到水平姿态误差角均方根小于10″,方位误差角均方根小于4′的对准精度。     

圆锥误差补偿算法在三轴激光捷联惯导系统中的应用

圆锥误差是影响捷联惯导系统姿态算法精度的原理性误差,其对三轴激光捷联惯导系统精度的影响显著.对三轴机抖激光陀螺捷联惯导系统,除了弹体运动可能引入圆锥运动外,三轴机抖激光陀螺产生的机械抖动也会在惯导系统中引入圆锥运动.文中分析了两种圆锥运动在三轴激光捷联惯导系统中产生的机理,并给出了圆锥误差补偿算法在不同试验条件下的应用效果.     

捷联惯性测量组合误差系数的软件补偿法研究

针对捷联惯性测量组合误差的数学模型,提出了惯性组合误差补偿的计算方法,推导了计算过程,得到了陀螺和加速度计误差补偿公式.通过补偿计算,能够得到弹体在采样时间间隔内运动的视速度增量和角增量.该算法能够满足应用的精度要求,对捷联惯性测量系统的误差补偿有一定的有效性和可行性.     

潜射导弹垂直出水过程中肩部空化的演化与弹体姿态的变化

在潜射导弹高速出水之前,弹体的肩部会出现明显的空化现象。为了研究潜射导弹在出水过程中肩部空化的发展演化过程及相应的弹体姿态角变化,以高速摄影为基本手段,采用边缘检测技术测算弹体姿态角以及肩部空化泡边界,通过对比分析不同出水阶段、不同时刻弹体肩部空化发展的状态,用来寻找出水过程中肩部空化现象和弹体姿态的发展规律。研究表明,高速出水条件下弹体在出水过程中有三种形式的空化现象先后出现,弹体肩部一开始形成的是片状空化,其轴向起始位置不同,周向也为随机分布;弹体运动过程中片状空化以两种方式转化为云状空化,一种是先脱落为旋涡型空化,然后再扩散为云状空化;另一种为片状空化尾部直接脱落为云状空化。出水过程中弹体姿态角变化幅度很小,而且在肩部空化泡出水溃灭的瞬间,弹体姿态角并未产生明显变化。     

RUPTURE OF THIN METAL TUBES BY NORMAL AND OBLIQUE IMPACT OF BLUNT CONICALNOSED MISSILES: EXPERIMENTS

Impact tests at both normal and oblique angles of incidence were conducted on thin mild tubes using a moderate size of 90° conical-nosed missiles. The minimum impact speed that generated cracks through the thickness of the wall, termed the speed for rupture, was measured, and various modes of rupture were identified. For a thin tube hit by a missile at a normal angle of obliquity at the speed for rupture, the contact region spreads across the nose of the missile, and the transverse shear deformation is predominant in the final failure process. If the angle of obliquity is 30°, the missile pierces a hole through the wall of the tube. At the speed for rupture, the kinetic energy of the missile for oblique angle 30° is only about 45% that required for plugging at a normal angle of obliquity. The project sponsored by National Natural Science Foundation of China(No. 19842001, 19872048) and Scientific Research Foundation for Returned Overseas Chinese Scholars of State Education Commission and Shanxi Province of China.     

基于计算流体力学的“虚拟飞行”技术及初步应用

以动态混合网格技术为基础, 通过耦合求解刚体动力学方程、流体力学控制方程以及飞行控制律, 建立了适用于飞行器"虚拟飞行" 过程研究的一体化数值模拟技术. 通过典型的外挂物投放算例对流体力学控制方程/动力学方程的耦合算法进行了测试, 并对某导弹的姿态角控制过程、过载控制过程以及变马赫数条件下的控制过程进行了数值模拟, 得到了与实验非常一致的结果. 这些算例证明该一体化算法已经初步具备了针对复杂飞行器"数值虚拟飞行" 的应用能力.     

基于扫频振动环境的燃气陀螺仪动态漂移控制技术

燃气陀螺仪是一种依靠火药燃气驱动的陀螺本体为机械框架式结构的惯性陀螺仪,它能够准确地测出弹体在飞行过程中随时间变化的姿态角,是弹体控制回路中的关键测量部件,其在不同振动环境中的漂移控制技术对制导武器弹体姿态的准确测量非常重要。本文利用欧拉方法,推导了陀螺仪的测量原理和漂移产生机理,分析了摩擦力矩、不平衡力矩,以及弹体环境施加的外力矩对陀螺漂移度的影响,并设计燃气陀螺仪的扫频振动试验找到陀螺对外加力矩的敏感频率。试验结果表明,在敏感频率400～800Hz范围内,通过改善弹体安装环境,可将陀螺仪漂移从大于3°减少至0.5°范围内。该方案具有较高的工程实用价值。     

战术导弹惯性制导中的两种姿态角及其相互关系

根据对导弹惯性制导系统中惯性导航和导弹控制两部分的分析 ,提出了存在两种姿态参考基准的问题 ,并讨论了两种姿态角的相互关系     

Nonlinear dynamics of an elastic rod with frictional impact

A model is presented for the impact with friction of a flexible body in translation and rotation. This model consists of a system of nonlinear differential equations which considers the multiple collisions as well as frictional effects at the contacting end, and allows one to predict the rigid and elastic body motion after the impact. The kinetic energy is derived by utilizing a generalized velocity field theory for elastic solids. The model uses a dry coefficient of friction and a nonlinear contact force. We introduce a finite number of vibrational modes to take into account the vibrational behavior of the body during impact. The vibrations, the multiple collisions, and the angle of incidence angle, are found to be important factors for the kinematics of frictional impact. Analytical and experimental results were compared to establish the accuracy of the model.     

飞行器纵向俯仰气动特性计算研究

应用有限体积方法求解三维可压缩雷诺平均N-S方程,计算了巡航导弹外形飞行器作小振幅俯仰运动时的动态绕流流场和空气动力特性,开展了导弹绕不同转轴、以不同频率和在不同迎角范围内进行俯仰运动的非定常气动力迟滞特性研究。计算结果表明,当导弹作快速俯仰运动时,在上仰和下俯过程中的同一迎角瞬间,绕导弹流场流动明显不同,表现出明显的非定常迟滞特性。导弹的非定常气动力迟滞特性随俯仰运动频率的增大明显增强,且气动力迟滞曲线随着俯仰轴位置的变化而变化。在同一减缩频率下,导弹在不同迎角范围内作周期俯仰运动时,相同的运动相位角所对应的升力系数对迎角的导数是一致的,而不同减缩频率下升力系数对迎角的导数随运动相位角变化曲线明显不同。     

Convective heat-transfer rate distributions over a missile shaped body flying at hypersonic speeds

Experiments are carried out with air as the test gas to obtain the surface convective heating rate on a missile shaped body flying at hypersonic speeds. The effect of fins on the surface heating rates of missile frustum is also investigated. The tests are performed in a hypersonic shock tunnel at stagnation enthalpy of 2 MJ/kg and zero degree angle of attack. The experiments are conducted at flow Mach number of 5.75 and 8 with an effective test time of 1 ms. The measured stagnation-point heat-transfer data compares well with the theoretical value estimated using Fay and Riddell expression. The measured heat-transfer rate with fin configuration is slightly higher than that of model without fin. The normalized values of experimentally measured heat transfer rate and Stanton number compare well with the numerically estimated results.     

基于BDS的导弹脱靶量数据处理方法

研究利用导弹过靶前的测量数据解算脱靶量参数。针对导弹过靶时刻BDS(北斗系统)不能定位和测量数据丢失等问题,采用最优滤波平滑处理技术,建立过靶瞬间弹道外推数学模型,对导弹飞行轨迹外推,获得过靶时的完整弹道参数。为解决靶船上合作目标部位不一致问题,利用导弹射向、弹道偏角、靶船航向信息和靶船上BDS天线相位中心相对于角反射体中心的位置,对合作目标部位进行修正,解算相对于角反射体中心的脱靶量参数。通过建立过靶痕迹方向判别坐标系,利用脱靶量参数,判别导弹过靶痕迹方向性。测试数据处理结果表明该方法精度高,脱靶量精度达到0.5 m。