舰载姿态加角速度匹配传递对准方法研究

用于传递对准的测量参数匹配法极大地受限于舰船所处海况，为解决这一问题，提出了姿态加角速度匹配法。在三种典型的海况下，对这一传递对准方法中舰船甲板变形和陀螺常值漂移进行了Kalman滤波估计及精度分析，并对陀螺漂移标定的可行性进行了深入的分析。研究结果表明，姿态加角速度匹配法具有稳健的对准精度和快速性，陀螺漂移的标定依赖于舰船甲板动态变形的大小。     

分布式系统中捷联惯性系统动基座对准研究

为解决舰载捷联系统动基座对准中甲板挠曲变形及惯性组件箱(IMU)的安装误差对初始对准精度的影响，建立了捷联惯性系统误差模型、甲板挠曲变形模型、IMU安装误差模型，并利用速度加姿态角匹配方法，建立了量测误差模型。在此基础上利用状态扩展法建立Kalman滤波器，并进行了仿真。仿真结果表明，在舰船有摇摆的情况下，可以有效地估计IMU安装误差角和甲板挠曲变形误差角。     

舰船波浪中航行时的变形分析及其IMU实时测量方法

大型舰船在水面上航行过程由于波浪的作用会产生一定的变形,该变形会降低舰船上姿态信息的精度,影响舰载武器系统的作战效能,针对这一问题,首先对舰船的变形进行理论分析,计算舰船所承受的波浪载荷,将波浪载荷加载到舰船的有限元模型,经计算得到的甲板各节点的角位移及线位移信息,以此来分析舰船的变形。在舰船的关键战位点安装由陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元(IMU),将IMU的输出信息与舰船主惯导的输出信息进行匹配,设计舰船变形估计的卡尔曼滤波器,实时估计IMU安装处的甲板变形角,为舰载武器装备提供准确的局部姿态信息,实验结果证明了所提方法的有效性。     

一种基于应变模态分析的舰船分布式挠曲姿态测量方法

针对舰船所处的恶劣环境，以及舰船导航和武器系统对姿态测量精度日益提高的要求，根据应变模态分析理论，建立了应变信息与姿态信息的变换关系，并提出了利用光纤Bragg光栅(FBG)传感器测量甲板的应变，求取由挠曲变形引起的姿态信息误差的方法。通过对简易模型的实验，验证了这种方法是有效的并且具有较高的精度。     

基于遗传算法的舰载IMU优化布局

惯性测量单元（IMU）用来为舰载武器系统提供准确的姿态并实时监测舰船甲板的变形，对其数目和位置进行优化具有重要的实用价值．提出了多IMU优化布局的原则，建立了舰载IMU优化布局的数学模型，采用遗传算法对IMU的布局进行了优化求解。仿真结果表明，舰载IMU的布局是影响甲板变形估计精度的一个重要因素，通过对IMU的布局进行优化，减少了舰载武器系统所需IMU的数量；利用优化布局后IMU的输出信息对全舰甲板变形进行估计，估计精度有很大提高。     

水下非接触爆炸作用下舱段模型的动态响应

对舱段缩比模型遭受水下爆炸冲击载荷时的动态响应进行了测量与分析。模型是参照水面舰船的典型舱段而设计的,用于评估普通船用钢材料模型的冲击响应。试验工况为远场非接触爆炸,介绍了药包/模型的几何特性,以及用装在舱室内、甲板处和龙骨上的加速度计来测量舱段模型的冲击运动。     

一种基于在线序贯极限学习机的大型舰船甲板态势预测方法

在舰船摇荡运动无法有效抑制时,可利用惯性导航系统实时测量甲板运动,并利用甲板运动的当前以及历史数据对未来时刻的甲板运动进行预测,以提高舰载机的起降安全性。然而甲板摇荡运动作为风浪、潮汐等共同作用的产物,具有较强的非线性、随机性和时变性。针对上述特性,引入具有信息实时更新功能的在线序贯极限学习机(OS-ELM)方法对甲板运动态势进行预测。该方法通过实时更新参与模型解算的样本数据,具有计算量小、学习映射能力强的优点。针对OS-ELM中存在的隐含层节点个数选择,以及甲板态势预测中出现的样本个数、历史数据长度等参数选择问题,引入遗传算法(GA)进行寻优。基于模拟甲板摇荡数据的仿真表明,该预测方法可以实时跟踪甲板运动的实时性变化,并对甲板运动态势进行预测。     

惯性系统三轴综合测试台结构静动态特性计算及实验研究

本文建立了惯性系统三轴综合测试台的结构分析模型，用有限元法对其进行了结构静动态特性计算。给出了外框架在实际载荷作用下的静动态特性和整机的动态特性，并在此基础上，对该三轴台外框架进行了静态变形的实际测量。实测表明，理论分析和实测结果相吻合。     

基于联合基座的天文/惯性组合测量系统的静态标校方法

从联合基座出发,设计了方位基准传递系统,对天文/惯性组合测量系统进行方位标校。舰船在码头系泊状态下,在甲板坐标系内,通过简单的光学方法达到满意的标校精度。在方位基准传递系统中,通过电子经纬仪将舰船的方位基准(首尾线)传递给惯性平台,再经过光电准直仪,将方位基准传递给方位光学工装,最后经过光电准直仪将方位基准传递给天文经纬仪,完成了通过惯导平台的方位镜与方位光学工装实现了不同层甲板的方位标校。实际标校和对标校误差分析计算结果表明:总的标校精度约为5.66″,优于10″的精度要求,提高了系统安装精度。     

水中爆炸冲击波载荷作用下舰船结构动态响应的数值模拟

采用大型通用有限元软件MSC.DYTRAN,对某型水面舰船全船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行了数值模拟。分别从结构的变形损伤形式、能量吸收和冲击环境等几个方面研究了舰船结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理和响应特征。     

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。     

基于交互式多模型滤波的船体变形惯性测量方法

基于惯性测量单元的匹配滤波算法是测量船体变形的发展趋势,然而在实际航行中,船体变形模型参数是未知或存在不确定性,模型参数的这一特性对滤波估计结果影响较大。针对此问题,利用"速度+角速度"匹配算法分析了模型参数未知对滤波估计效果的影响,引入交互式多模型卡尔曼滤波方法,利用不同模型参数的似然函数进行概率分配。最后通过仿真对提出的方法进行了验证,结果表明,与传统卡尔曼滤波相比,估计精度提高了5%~10%,收敛时间提高了1倍,动态变形角的收敛时间在10 s以内,静态变形角的收敛时间在5s以内,提高了系统的环境适应性。     

基于H_∞滤波的主/子惯导组合中挠曲变形补偿算法

针对舰载环境下,主/子惯导组合中主、子惯导间的挠曲变形问题,设计了H?滤波算法。算法将主、子惯导间的挠曲变形作为一种能量有限的量测噪声,通过H?滤波对不确定噪声的鲁棒性来保证滤波精度。在经典的"速度+姿态"匹配方法的基础上,仿真比较了:1)方案一,已知挠曲变形时的标准Kalman滤波算法;2)方案二,未知挠曲变形时的标准Kalman滤波算法;3)方案三,未知挠曲变形时的H?滤波算法。仿真误差曲线直观表明:基于H?滤波算法可以在未知挠曲变形时有效提高组合精度;统计结果表明:滤波方案三得到的姿态与速度的系统误差、随机误差均与理想条件下的方案一相当;相较于方案二,滤波方案三得到的姿态与速度的系统误差至少可减小40%,随机误差至少可减少15%。     

基于光纤光栅技术的船体变形修正技术

为进一步优化航天测量船变形测量系统,提出了基于光纤Bragg光栅技术的应变误差测量方法。首先通过对测量船变形系统的结构和光路进行几何分析,建立了应变量与误差角之间的转换模型。然后基于光纤光栅技术设计了测量船变形系统的应变误差测量方案。由应变与误差角的转换公式得到,运用常用的Si425型光纤光栅解调仪,其理论测量精度可达0.01″。     

舰船捷联惯导传递对准仿真验证系统设计

为解决船用捷联惯导系统传递对准仿真中载体机动方式与实际差别较大的问题,提出了基于舰船空间运动的传递对准精度考核的仿真验证系统,提高载体机动方式仿真逼真度。仿真验证系统通过舰船空间运动建模,提供接近真实运动环境的空间运动参数;通过设计空间变换算法,实现了空间运动参数与主惯导惯性器件模拟输入的转化;通过杆臂及挠曲变形计算,实现了子惯导惯性器件模拟输入的转化;文中给出了各模块的算法及解算流程。速度+姿态传递对准算法仿真验证结果为10 s内水平失准角精度优于0.02;方位失准角精度优于0.05。仿真验证试验结果表明了该方案的可行性和实用性,该方案为其他领域的传递对准方案分析及验证提供了有效的参考依据。     

船用惯性系统试验安装标校与变形测量

船用惯性系统试验安装标校和变形测量是提高测量精度,保证试验质量的关键技术,因此在对设备的安装误差和船体变形造成的测量误差进行分析的基础上,重点阐述惯性系统试验零位对准和变形测量的相关理论和工程技术。     

UNCONSTRAINED MODAL ANALYSIS OF DYNAMIC MODEL OF FLEXIBLE SPACECRAFT$^{\bf 1)}$

挠性航天器动力学建模中的挠性耦合影响系数是动力学建模中的重要力学概念,它反映了航天器姿态和轨道运动与挠性附件的弹性振动效应. 挠性耦合影响系数间的恒等式关系,即惯性完备性准则,是挠性航天器动力学模型降阶和模态截断的重要依据. 以中心刚体带挠性附件航天器为研究对象,采用约束模态和非约束模态法描述挠性附件结构变形,利用欧拉-拉格朗日方程建立挠性航天器的动力学模型. 基于 Hughes 的研究成果,对挠性航天器的非约束模态恒等式及其用于动力学模型降阶的惯性完备性准则进行了证明和应用研究. 探讨了两种动力学模型惯量间的关系,并利用约束模态惯性完备性准则,推导了非约束模态惯性完备性准则. 最后,对中心刚体带双侧太阳帆板和带单侧太阳帆板构成的挠性航天器模型进行数值仿真计算,求出挠性附件非约束模态平动耦合系数,分析了非约束模态特征值和平动耦合系数随着刚柔质量比的变化情况,并尝试用非约束模态惯性完备性准则的质量特征恒等式对挠性航天器模型进行了检验.     

挠性航天器动力学模型的非约束模态分析

挠性航天器动力学建模中的挠性耦合影响系数是动力学建模中的重要力学概念,它反映了航天器姿态和轨道运动与挠性附件的弹性振动效应. 挠性耦合影响系数间的恒等式关系,即惯性完备性准则,是挠性航天器动力学模型降阶和模态截断的重要依据. 以中心刚体带挠性附件航天器为研究对象,采用约束模态和非约束模态法描述挠性附件结构变形,利用欧拉-拉格朗日方程建立挠性航天器的动力学模型. 基于 Hughes 的研究成果,对挠性航天器的非约束模态恒等式及其用于动力学模型降阶的惯性完备性准则进行了证明和应用研究. 探讨了两种动力学模型惯量间的关系,并利用约束模态惯性完备性准则,推导了非约束模态惯性完备性准则. 最后,对中心刚体带双侧太阳帆板和带单侧太阳帆板构成的挠性航天器模型进行数值仿真计算,求出挠性附件非约束模态平动耦合系数,分析了非约束模态特征值和平动耦合系数随着刚柔质量比的变化情况,并尝试用非约束模态惯性完备性准则的质量特征恒等式对挠性航天器模型进行了检验.      

循环神经网络在智能天平研究中的应用

激波风洞地面试验对高超声速飞行器高焓气动特性研究至关重要, 而高精度气动力测量是其中的关键技术. 在脉冲型激波风洞中进行测力试验时, 风洞起动时流场瞬间建立, 对测力系统会产生较大的冲击. 测力系统在瞬时冲击作用下受到激励, 系统的惯性振动信号在短时间内无法快速衰减, 天平的输出信号中会包含惯性振动干扰量, 导致脉冲型风洞测力试验精准度的进一步提高遇到瓶颈. 为了解决短试验时间内激波风洞快速准确测力问题, 发展高精度的动态校准技术是提升受惯性干扰天平性能的关键方法. 因此, 本文采用循环神经网络对天平动态校准数据进行训练和智能处理, 旨在消除输出动态信号中的振动干扰信号. 本文对该方法进行了误差分析, 验证了该方法的可靠性, 并将该方法应用于激波风洞测力试验中, 切实有效降低了惯性振动对天平输出信号的干扰影响. 根据智能模型的样本验证分析, 各分量载荷相对误差比较小, 其中高频轴向力分量处理结果的相对误差约1%. 在风洞试验数据验证中, 也得到了比较理想的结果, 同时与卷积神经网络模型处理的结果进行了对比分析.