旋转调制捷联惯导激光陀螺仪误差自补偿新方法

基于旋转调制的自补偿技术是进一步提高激光陀螺仪捷联惯导系统导航精度的有效方法。研究了旋转调制捷联惯导系统中的激光陀螺仪误差补偿方法。建立旋转式捷联惯导系统激光陀螺仪的误差传播方程,分析激光陀螺仪旋转误差效应及误差传播特性,在此基础上建立了调制策略编排目标函数;研究了双轴交替旋转调制模式下的调制策略编排方案,提出了一种改进的16次序双轴交替旋转调制方法,建立了基于双轴转动角速度的动态误差方程,实现了转动过程中激光陀螺仪的常值项误差、标度因数误差、安装误差的有效补偿,进一步抑制速度误差积累所引起的位置误差。仿真结果验证了该方法的有效性,提高了捷联惯导系统导航精度,可为旋转调制光学捷联惯导系统设计提供理论参考。     

全固态捷联式惯性/天文组合导航技术

传统惯性/天文组合导航的工作原理一般有天文测星输出的ψ角直接解析并校正惯导速度、位置和ψ角作量测估计并间接校正惯导速度、位置两种。针对这两种工作原理中未充分利用可观测度较大的陀螺常值零偏估计信息而导致长航时、短航时组合导航效果不理想的问题,提出全固态捷联式惯性/天文组合导航技术,将捷联式惯导和大视场星敏感器固连,以欧拉误差角作为Kalman滤波器的量测信息,实时估计并反馈陀螺常值零偏用于校正捷联惯导系统,可快速有效抑制各种由陀螺漂移引起的误差。实测数据仿真表明:以欧拉误差角作为Kalman滤波器的量测信息可使经度误差、纬度误差、航向角误差和陀螺常值零偏快速稳定、收敛,长航时试验中可使经度误差不大于0.5 nmile、纬度误差不大于0.2 nmile、航向误差30″,短航时试验中可使经度误差不大于0.25 nmile、纬度误差不大于0.12 nmile、航向误差20″。因此,该算法对于长时导航和短时导航都具有良好的适应性,具有实用价值和研究意义。     

一种提高激光陀螺惯导系统精度的方法

为了获得优于0.1n mile/h水平的高精度激光陀螺惯导系统,对控制系统绕单轴转动来补偿陀螺误差的方法进行了研究。分析了补偿的原理,并利用通用的精度为0.4n mile/h左右的机抖激光陀螺捷联惯导系统进行了实物实验,实验结果证明采用单轴转动的方法可使系统定位精度提高到1n mile/24h的水平。     

激光陀螺滤波评估方法研究

在现有硬件的基础上,通过滤波等软件算法来提高激光陀螺捷联惯导系统对准和导航精度是目前国内外学者所公认的。为了对激光陀螺滤波前后的效果进行准确、定量的评估,设计了Allan方差分析算法,开发了对准-导航及精度分析评估软件,分别从元件级、系统级对其展开了研究,并结合具体激光陀螺捷联惯导设备对其进行了实验验证。     

小型集成三通道机抖激光陀螺数字式控制电路设计

针对军事和民用工程中亟待解决的捷联式机械抖动激光陀螺惯导的小型化、集成化和高精度问题,提出了一种以单块电路板实现对3个机械抖动激光陀螺进行数字式稳频控制、抖动控制、稳流控制、信号检测及脉冲计数的全功能小型机抖激光陀螺集成控制方案,设计了以DSP和FPGA为核心控制器的陀螺电路。试验结果表明,该集成控制电路能同时实现3路陀螺的自动控制,参数调整灵活方便,控制精确稳定,在实现小型化集成化的同时,提高了激光陀螺的输出精度,为捷联式机械抖动激光陀螺惯导的小型化、集成化和高精度奠定了基础,已在多个项目中获得工程应用,具有较高实用价值。     

一种新的船用捷联惯导系统数字仿真器的设计

以舰船的运动特性为依据,设计了一种新的船用捷联惯导系统数字仿真器;用VC++编程语言设计舰船运动轨迹;建立陀螺仪、加速度计的误差模型;用惯导系统姿态更新、位置更新、速度更新解算的结果与航迹点参数(真值)比较,得到惯导系统误差;应用表明,该仿真器能够灵活地模拟出舰船在不同的运动状态下船用捷联惯导系统的各种导航参数,为研究舰载条件下的捷联惯导系统传递对准技术提供了可靠的试验数据。     

捷联惯导/北斗高精度组合导航方法研究

提出采用紧组合方式进行捷联惯导/北斗组合导航设计,首先对捷联惯导与北斗系统进行误差分析与建模,将捷联惯导系统误差、北斗等效时钟误差相应的距离(伪距误差)以及等效时钟频率误差相应的距离率(伪距率误差)作为组合导航系统状态;利用捷联惯导位置输出与北斗接收机星历输出构造获得等效伪距,将其与北斗接收机测量的伪距对应相减作为量测,推导建立对应的量测方程,采用卡尔曼滤波设计捷联惯导/北斗组合导航滤波算法。仿真结果表明,该组合导航方法的速度精度达到±0.05m/s,位置精度达到±3.2m,水平姿态精度达到±0.4′,航向精度达到±1.6′。     

一种改进的速度加姿态匹配传递对准方法

为了提高传统速度加姿态匹配传递对准方法的快速性,设计了一种改进的传递对准方法,该方法提出在子惯导初始化之前利用主、子惯导陀螺和加速度计测量信息进行短时间的预对准,并设计了速度加姿态匹配的传递对准滤波模型。与传统传递对准方法相比,通过在预对准阶段直接计算主、子惯导之间的安装误差矩阵,子惯导进行初始装订时可以得到较小的初始姿态误差,从而使传递对准滤波器能够快速收敛,提高了对准的快速性和精确度。试验结果表明,通过预对准后对准滤波器在30s之内即可完成对准,姿态估计误差为1′,方位估计误差为1.5′,比传统传递对准方法具有更好的对准性能。     

人工鱼群算法在单轴旋转惯导系统轴向陀螺漂移辨识中的应用

在惯性导航系统中,采用单轴旋转技术可以调制垂直于旋转轴方向上的惯性器件误差,而对沿旋转轴方向的误差没有抑制作用,因此旋转轴方向上激光陀螺漂移成为影响惯性导航系统精度的主要因素之一。为精确地辨识旋转轴方向上激光陀螺漂移,提高激光陀螺单轴旋转惯导系统的精度,利用人工鱼群算法AFSA（artificial fish swarm algorithm）建立了单轴旋转惯导系统轴向陀螺漂移辨识模型,给出了AFSA 辨识的详细步骤和方法。实验结果表明:AFSA可以对轴向激光陀螺漂移进行精确建模,补偿后的激光陀螺零偏不稳定性达到0.000 4 /h。     

冗余捷联惯组故障诊断等价向量的补偿

运载火箭作机动飞行时,陀螺和加速度计输出中引入的与机动状态相关的动态误差项会严重影响冗余捷联惯组故障诊断的效果,增大误警率。本文研究验证了利用卡尔曼滤波估计动态误差以补偿等价向量的方法,滤波补偿能够减弱由于运载火箭机动引起的动态误差项,利用补偿后的等价向量成功检测到未补偿时难以检测的故障。同时也发现了陀螺的补偿效果不如加速度计补偿效果好的现象。深入研究后发现,试验陀螺的随机误差偏大,掩盖了动态误差。得到了当传感器的随机误差项是动态误差项的5倍以上时可不进行误差补偿的有用结论。     

一种无公共视场相机位置关系的求解方法

多相机系统的标定是立体视觉测量中的一个重要问题。而当各相机间公共视场较小或无公共视场时,标定参照物不能同时出现在所有相机的公共视场,因此无法求解系统中多相机的相对位置关系。针对该类问题,论文在二维靶标标定法的基础上,提出了一种基于两轴转台的无公共视场相机位置关系的求解方法。将待标定系统固定在转台上,利用转台转动确定靶标坐标系与转台坐标系之间的相对关系;通过转动转台使二维靶标依次进入每个相机视场以分别确定转动后每个相机在靶标坐标系中的位置,并记录转动的角度;最后,结合靶标坐标系与转台坐标系关系,求解各相机之间的相对位置关系。实验结果表明,该方法具有可操作性,解算误差在0.5%以内,可较准确地确定多个光轴之间角度较大的非共视场相机位置关系。     

GNSS天线连接器同轴度误差测量技术

为测量GNSS天线连接器同轴度误差,构建了连接器分段旋转数学模型,提出了一种水平转台和机器视觉结合的非接触式测量方法,搭建测量装置并进行了测量实验.分析连接器运动方式和同轴度误差测量方法,确定各轴线之间的偏移关系,建立同轴度误差数学模型和测量模型.搭建测量装置,相机安装在水平转台上方,光轴平行于水平转台轴线.旋转水平转台,使用相机捕捉转接螺杆端面圆心位置并拟合轨迹,完成测量装置同轴度误差自标定.将连接器安置在水平转台上,旋转水平转台,测量连接器顶部螺纹杆轴线相对水平转台轴线的偏移.旋转连接器的承载器,测量连接器顶部螺纹杆轴线相对承载器轴线的偏移.最终,综合各轴线的偏移关系得到连接器同轴度误差的最大值.实验结果表明,测量装置对GNSS天线连接器同轴度误差的测量标准差为9μm,单次测量结果的扩展不确定度U=30μm(k=2),满足GNSS天线连接器0.1 mm至1 mm量级的同轴度误差的测量需求,使用连接器同轴度误差修正GNSS超短基线测量结果,可以显著提升基线测量精度.     

Real-time camera pose estimation based on volleyball court view

The use of technology in sports has increased in recent years. One of the most influential of these technologies is referee support systems. Team sports such as volleyball require accurate and robust tracking systems that do not affect either the players or the court. This paper introduces the application of intrinsic and extrinsic camera calibration in a 12-camera volleyball referee system. Intrinsic parameters are calculated by using the classic pinhole model and Zhang’s method. To perform extrinsic calibration in real time, the volleyball court is treated as a global calibration artifact. Calibration keypoints are defined as court-line intersections. In addition, a new keypoint detection algorithm is proposed. It enables achievement of an accurate camera pose in regard to the court. With all 12 cameras calibrated in a common coordinate system, a dynamic camera stereo pair creation is possible. Therefore, with known ball 2D image coordinates, the 3D real ball coordinates can be reconstructed and the ball trajectory can be estimated. The performance of the proposed method is tested on a synthetic data set, including 3Ds Max rendering and real data scenarios. The mean camera pose error calculated for data biased with keypoint detection errors is approximately equal to 0.013% of the measurement volume. For the real data experiment with a human hand phantom, it is possible to determine the presence of the human phantom on the basis of the ball reflection attitude.     

Laboratory calibration of star sensor with installation error using a nonlinear distortion model

The high-precise star sensor calibration method requires high-accurate turntable, collimator, star point plate or other high-precision devices that are very expensive. We present a simple and available method to calibrate the principal point, focal length, radial distortion, tangential distortion and installation error of star sensor in laboratory, and without having high accurate or expensive devices. The calibration model takes the ordinary camera calibration methods and installation error into account. The installation error is modeled by combination of three typical effects: the installation of pan-tilt-zoom (PTZ) initial status, PTZ and charge-coupled device, which result in six parameters. The proposed procedure consists of a closed-form solution, followed by a nonlinear refining based on maximum likelihood criterion. Our calibration method is validated through simulation and real data that shows the superiority with respect to the traditional methods and has the same level as the state-of-the-art methods. The accuracy of our calibration method is 0.015° in the root of mean square distances between testing points and projected ones.     

一种基于远场图像的稀疏光学合成孔径系统共相探测新方法的仿真研究

稀疏光学合成孔径系统中,共相探测环节检测子孔径间的相位平移误差,为系统高分辨力的实现提供重要支持. 文章从基本的物理原理出发,分析了系统远场与相位平移误差的关系,并以此为基础,从数学上阐明了 相位平移误差对系统远场图像的影响机制.进一步,针对典型的两孔径系统,提出了一种新的基于远场相似度 的共相探测方法,并对其可行性、原理性偏差和动态范围进行了仿真分析.结果表明,该方法在原理上可实现 对两孔径系统相位平移误差的良好标定,且避免了一些既有方法可能存在的2π模糊性及无法判断符号的问题,具有一定的动态范围,为共相探测新技术的进一步研究提供了有效参考.     

基于多功能数据采集卡和变速PID的转台控制系统设计

为了提高采用转台对惯导系统和惯性仪表进行误差模型标定时的可靠性和精度,对角位置转台的控制系统进行了研究。首先借助NI公司PXI-8101控制器和功能强大的数据采集卡PXIe-6363对转台控制系统进行了硬件设计。随后在对转台常规PID控制方法研究的基础上提出了一种能随系统调节偏差自动改变积分项累加速度的变速PID控制方法。接着又对基于软件实现的双通道旋转变压器轴角解调算法进行了研究并提出了一种粗精组合角纠错方法。最后对本文设计的转台控制系统进行了测试实验,结果表明提出的轴角解调算法具有较好的解码速度和精度,并且变速PID控制方法大大提高了转台控制系统的自学习能力和鲁棒性,显著地改善了转台控制过程的稳定性。     

拼接式编码器测角误差分析及试验

根据望远镜测角系统的精度需求,分析了影响拼接式编码器测角精度的误差源,以及多读数头测角消差原理,确定了采用相位相差90°的4读数头的测角方式。在某望远镜方位轴系转台进行了逆时针和顺时针方向的测角试验,通过对测角数据进行谐波分析并补偿后,得到两组实验测角误差RMS分别为0.34"、0.38"。实验表明,相位相差90°的均布4读数头的测角方式消除了由轴系误差、编码器安装位置误差和钢带安装盘部分圆度误差对测角精度的影响,实现了亚角秒级测角的目的。研究结果可用于大口径望远镜设计阶段的误差分析与分配、预估测角精度,为降低设计和加工误差提供参考。     

船载光电经纬仪坞外星体标校

为了适应海上应用并降低经纬仪坞内标校成本,采用恒星位置代替固定方位标,将原本在坞内的标校工作转移到海上。首先,根据恒星星表精确、实时地计算出恒星位置。然后,通过坐标转换算法将其位置值转化到测量系下,运用船摇自稳定算法保证经纬仪的正常跟踪并记录数据。最后,根据事后解算算法分析记录数据,分离设备单项差并计算系统误差。实验结果表明,海上星校单项差的标定与坞内通过方位标标定结果非常接近,照准差、水平差、垂直差的偏差分别为0.015″、0.22″和0.014,″系统误差的标定与坞内结果具有很好的一致性,完全能够满足经纬仪海上标校的要求。     

A computational error-assessment of central finite-volume discretizations in large-eddy simulation using a Smagorinsky model

We present a framework for the computational assessment and comparison of large-eddy simulation methods. We apply this to large-eddy simulation of homogeneous isotropic decaying turbulence using a Smagorinsky subgrid model and investigate the combined effect of discretization and model errors at coarse subgrid resolutions. We compare four different central finite-volume methods. These discretization methods arise from the four possible combinations that can be made with a second-order and a fourth-order central scheme for either the convective and the viscous fluxes. By systematically varying the simulation resolution and the Smagorinsky coefficient, we determine parameter regions for which a desired number of flow properties is simultaneously predicted with approximately minimal error. We include both physics-based and mathematics-based error definitions, leading to different error-measures designed to emphasize either errors in large- or in small-scale flow properties. It is shown that the evaluation of simulations based on a single physics-based error may lead to inaccurate perceptions on quality. We demonstrate however that evaluations based on a range of errors yields robust conclusions on accuracy, both for physics-based and mathematics-based errors. Parameter regions where all considered errors are simultaneously near-optimal are referred to as ‘multi-objective optimal’ parameter regions. The effects of discretization errors are particularly important at marginal spatial resolution. Such resolutions reflect local simulation conditions that may also be found in parts of more complex flow simulations. Under these circumstances, the asymptotic error-behavior as expressed by the order of the spatial discretization is no longer characteristic for the total dynamic consequences of discretization errors. We find that the level of overall simulation errors for a second-order central discretization of both the convective and viscous fluxes (the ‘2–2’ method), and the fully fourth-order (‘4–4’) method, is equivalent in their respective ‘multi-objective optimal’ regions. Mixed order methods, i.e. the ‘2–4’ and ‘4–2’ combinations, yield errors which are considerably higher.