基于激光干涉的微重力加速度测量方法

为了研究环境的微重力水平及其对科学实验的影响,通常使用石英挠性或静电悬浮等力平衡式加速度计测量微重力大小,但两者都属于相对加速度测量,石英挠性加速度计有偏值,精度有限,静电悬浮式则量程较小.受绝对重力仪的启发,提出使用激光干涉方式测量绝对微重力的方法,以期取得更好的测量精度.相较于传统的微重力测量手段,通过改进的马赫-...     

基于小波最小二乘支持向量机的加速度计温度建模和补偿

针对环境温度影响加速度计测量精度的问题,给出了温度对石英挠性加速度计零偏和标度因数的影响机理,提出采用小波最小二乘支持向量回归建立石英挠性加速度计零偏和标度因数的温度模型的方法。为了验证模型的有效性,进行了多个温度点下的参数标定试验,所获取的各温度点下的石英挠性加速度计零偏和标度因数作为小波最小二乘支持向量机模型的训练数据;将石英挠性加速度计固定在某一位置进行了升温试验,通过对比未进行温度补偿、最小二乘温度补偿和小波最小二乘支持向量回归温度补偿下石英挠性加速度计的输出,计算结果表明采用小波最小二乘支持向量机补偿后的石英挠性加速度计的测量精度最高。     

石英挠性加速度计温度补偿算法

石英挠性加速度是惯性导航系统核心的惯性器件之一,其输出精度受到温度变化的影响,为了降低温度对石英挠性加速度计精度的影响,在研究石英挠性加速度计数学模型的系数随温度变化规律的基础上,设计了加速度计温度模型辨识试验方法,利用数据拟合方法建立了加速度计温度模型。应用该模型提出了石英挠性加速度温度补偿算法,针对该算法的有效性,进行了实验验证,结果表明应用该温度补偿算法,可使加速度计的测量精度提高一个数量级,补偿效果明显。该温度补偿算法可有效地应用于捷联式惯性导航系统等领域中。     

重力梯度仪加速度计控制回路分析与设计

加速度计是旋转加速度计重力梯度仪的核心元件,梯度信号测量要求其加速度计具有高分辨率和低的噪声水平,这就需要对现有石英加速度计进行改进,通过表头抽真空,提高控制回路增益来抑制噪声,提高分辨率.抽真空后表头近似为无阻尼状态,其控制回路中需增加阻尼补偿的环节,避免系统在工作频段附近出现振荡;并且,对控制回路中的校正环节也进行了重新设计,加入积分环节,使系统对位置信号的稳态误差为零,大幅度提高工作频段的系统开环增益,从而有效地提高了系统的动态测量精度.     

高精度LINS陀螺采样频率以及噪声抑制技术

基于激光陀螺高带宽和数字化输出的特点,提出激光陀螺数字信号处理的两个基础性问题,采样频率合理性与抗混叠滤波。分析了国产高精度激光捷联惯导常用的2000 Hz采样频率下激光陀螺频谱特性。指出在该采样频率下,激光陀螺输出信号中存在某些固定频率干扰信号。提出一种逐步升高采样频率的方法,给出了谱峰位置确定公式,证明国产高精度激光陀螺输出信号中存在机抖频率的3倍频和5倍频干扰信号,并给出合理的最低采样频率应为4500 Hz。为了解决激光陀螺数字化输出的抗混叠滤波问题,建议引入过采样技术,继续提高采样频率,降低激光陀螺功率谱密度,并利用低通滤波抑制噪声,提高激光陀螺精度。     

石英挠性加速度计二元调宽数字脉冲控制系统的研制

本文介绍了石英挠性加速度计二元调宽数字脉冲控制系统的研制及其应用。提出了通过提高系统采样频率来抑制石英挠性加速度计摆片摆幅，从而最大限度地减小其疲劳强度的方法。并基于这一思想设计了石英挠性加速度计二元调宽数字脉冲控制模型，对模型进行了模拟仿真，证明该方案是合理可行的。其已成功地应用于各新型导航产品中     

石英挠性加速度计温度建模和补偿

为降低环境温度对石英挠性加速度计测量精度的影响,从工程应用角度设计了加速度计温度建模试验环境和试验方法.为加速度计设计独立的温控装置,验证了加速度计温度特性具有重复性的基础上,在多个温度点下采用四位置翻滚试验对加速度计进行标定,利用线性拟合方法建立了加速度计零偏和标度因数的温度模型.应用该模型对加速度计进行温度补偿后,可使加速度计的测量稳定性精度提高5.55倍.将所建温度模型应用于捷联式惯性导航系统中,可有效提高系统的导航精度.     

用A/D和FPGA实现的加速度计数据读出系统

加速度计是惯性导航系统的核心部件，通常加速度计输出为模拟电流信号，为便于导航计算机的数字处理，需经过A／D、I／F或V／F转换。针对应用背景实时、高精度、宽动态范围的要求，文中采用高分辨率模数转换器和嵌入式现场可编程门阵列组成石英挠性加速度计串行数据读出系统，设计了系统的硬件和软件。系统解决的几项关键技术，如数据采集逻辑电路设计、高分辨率A／D的接口电路设计等，可为其它要求宽动态范围的传感器接口系统所利用。     

一种集成式石英谐振加速度计信号处理与融合方法

谐振式加速度计能够将加速度直接转化为稳定的频率信号,可以获得优良的性能。针对目前石英谐振加速度计灵敏度偏低,以及温度变化等因素引起的频率漂移等难题,提出了一种基于多电极谐振器的集成式石英加速度计的信号处理与融合的方法。集成式石英加速度计输出多路谐振信号,形成差频信号,融合后可以得到高精度的数字信号,设计了基于FPGA的电路实现方案。通过实验测试结果,输出数据响应时间为125 ms的条件下,传感器标度因数从传统的100 Hz/g以下提升到1742.5 Hz/g,线性相关系数为R~2=0.9985。提出的信号处理与融合方法具有较高的信号处理实时性,显著提高了石英谐振加速度计的灵敏度,可以应用于集成式石英谐振加速度计数据信号处理以及实时测量系统中。     

一种石英挠性加速度计非线性误差系统级标定方法

为提高大过载高动态环境下捷联惯导系统导航精度，需对捷联惯导系统中的石英挠性加速度计非线性误差参数进行精确标定。针对现有标定方法在加速度计非线性误差参数发生变化时无法满足免拆卸高精度标定的问题，设计了一种基于双轴精密离心机和捷联惯导系统转位机构交替旋转、依靠转位机构实现9位置标定路径的系统级标定方法。经理论分析和仿真验证，所提方法可实现加速度计二次项、交叉耦合项共九个非线性误差参数系统级高精度标定，二次项误差参数标定精度优于1.0×10^-6 g/g²，交叉耦合项误差参数标定精度优于1.5×10^-6 g/g²。     

基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法

针对温度变化引起的惯导系统中石英挠性加速度计测量误差,提出了一种基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法。首先,建立包含温变速率影响的温度误差模型,利用标定惯导系统加速度计参数时的温度作为标定参数温度基准。其次,借助不带转台的温箱对惯导系统进行全温测试,通过同一方位前后时间段加速度计输出的差分消除未知的比力真值,只保留由于温度改变引起的标度因数与零偏变化,通过多位置观测对这两项参数进行最小二乘拟合估计,获得对应温度系数。该方法不需要温箱具备高精度定位基准,能够实现全温范围与快速变温工作条件下温度误差的精确建模。试验结果表明,应用该补偿方法可使加速度计测量精度在全温范围内保持在10μg量级。     

0.3 ng/Hz~(1/2)超高灵敏度MEMS加速度计研究进展

采用微纳加工工艺制备了硅基微机电(MEMS)超高灵敏度加速度计,并针对超高灵敏度MEMS加速度计进行了结构设计及仿真。通过独特自主的体硅一体化刻穿工艺加工出MEMS加速度计敏感结构,测得MEMS加速度计噪声谱密度在1 Hz处为0.3 ng/Hz~(1/2),46 h偏值稳定性为740 ng,量程1 mg,带宽10 Hz,抗随机振动可达8 g(RMS),抗冲击过载1000 g。相比于传统的高精度加速度计,本文提出的基于微纳加工工艺的硅基超高灵敏度MEMS加速度计体积小、重量轻、环境适应性强,具有可批量化生产和成本低的优势,有望用于对灵敏度有较高要求的微震测量、微重力环境应用、空间探测等领域。     

基于微粒群算法优化支持向量机的加速度计静态模型辨识

针对加速度计静态模型采用线性近似模型辨识存在较大误差的问题,利用支持向量回归在小样本、非线性及高维特征空间中具有很好的推广能力的优点,提出了一种利用支持向量回归进行加速度计静态模型辨识的方法.为了避免随机试凑法识别支持向量回归参数费时的问题,采用高效的并行搜索算法-微粒群算法进行支持向量回归参数优化.利用精密光学分度头对石英挠性加速度计进行了12位置静态翻滚试验,试验结果表明所提方法可以精确地对石英挠性加速度计静态模型进行辨识,其模型精度比最小二乘辨识法的模型精度提高一倍以上.     

炮用寻北方位测量系统

采用直流力矩电动机和数字控制技术,拖动一个装有挠性陀螺、石英挠性加表的转盘连续转动四个位置,测量每个位置上陀螺和加速度计的输出,从而计算出定位面和北向的夹角。推导了北向角计算公式、方位角增量计算公式,分析了系统组成,给出了原理框图。为了缩短寻北时间,克服地基抖动和风扰等影响,采用数字滤波、平稳过程建模、小波滤波、Kalman滤波等技术对陀螺信号进行预处理。试验证明:求平均和经典数字滤波可减小陀螺数据方差10倍左右,Kalman滤波可以减小30倍。目前该系统样机已经研制成功,控制器和计算平台采用PC104,显示器为可在野外使用的EL屏,4×4小键盘采用不锈钢防水设计,具有抗低温能力,系统内置GPS接受机、蓄电池,可实现野外定位定向自动化。测试表明:样机定向精度优于2 mil,定向时间小于2.5 min。     

分形滤波在高精度海洋重力仪数据处理中的应用研究

为有效地消除各种外界干扰噪声对高精度海洋重力仪测量值的影响,提高重力异常测量值的精度,在分析基于分形理论的滤波算法基础上,首次将其应用到高精度海洋重力仪系统数据处理中,并与自适应卡尔曼滤波进行对比分析,以实际信号数据与处理后信号数据的均方差作为衡量两种数据处理方法好坏的依据。理论分析和仿真实验表明:分形滤波方法和自适应卡尔曼滤波都能在一定程度上消除干扰噪声对重力异常信号的影响,但在相同背景条件下,分形滤波的性能优于自适应卡尔曼滤波。     

一种基于多参考信号ICA的重力信号提取方法

海洋重力测量包含大量噪声,其中的低频噪声与重力信号频率相近,常用算法难以有效抑制测量噪声提取重力信号。为了有效地消除海洋重力测量信号的噪声,提高信号的获取精度,根据独立分量分析理论,提出一种基于多参考信号独立分量分析的重力信号提取方法。采用经验模态分解将海洋重力测量信号分解为固有模态分量,同时采用卡尔曼滤波以及小波分解等算法处理重力测量信号,将卡尔曼滤波器和小波分解的滤波结果以及由固有模态分量重构的信号作为独立分量分析算法虚拟通道的参考信号,应用基于负熵的独立分量分析算法估计重力信号。基于实测重力信号对该方法进行了去噪试验,理论分析和试验结果表明,多参考信号独立分量分析的重力信号提取方法能有效的抑制干扰和恢复重力信号波形,与常用的重力信号处理算法相比,海洋重力数据的获取精度大约提高了30%。     

全加速度计惯性导航与重力梯度测量系统设计

全加速度计惯性导航技术侧重于测量排除重力干扰影响的载体运动加速度,而利用加速度计进行重力梯度测量则侧重于测量排除载体运动影响的重力变化.一方的测量信号恰为另一方的噪声.利用加速度计技术,将二者结合在一起,理论上推导出同时进行惯性导航与重力梯度测量的可行性.基于此原理,论文设计了一种12加速度计的全加速度计惯性导航与重力梯度测量系统.论文给出系统进行惯性导航与梯度测量的公式.并预计,在未来几十年中,惯性导航与重力梯度测量将成为同一概念,此系统将成为未来惯性导航的发展方向.     

验证石英加速度计误差模型的火箭橇试验

火箭橇试验具有产生大过载、高速度、强振动和冲击等综合条件的能力,可以在综合环境条件下对惯性测量装置的误差模型进行验证.文中主要针对高精度捷联系统中的石英加速度计,利用3Km火箭橇轨道,根据误差模型的特点以及误差系数的可观性设计了过载曲线和安装方式.分析了雷达测速不能满足外测精度的要求,对遮光板测速精度和定位精度分别进行了分析.遮光板测速对布点之间的最小距离有严格的限制,而定位的优点是对最小距离没有要求.从仿真结果来看,在外测采用遮光板时,测距精度对石英加速度计的误差系数分离置信度大于测速精度.因此,利用火箭橇试验验证石英加速度计误差模型时,应该采用遮光板的位置信息,遮光板的布点之间距离应尽可能小.     

车载惯性导航的动态零速修正技术

为增强车载惯性导航零速修正技术的机动性能,提出了一种动态零速修正技术。利用车体坐标系横向和垂直方向上速度为零,作为约束条件,构造虚拟噪声观测量;设计了U-D协方差分解与序贯处理的Kalman滤波方法,进行实时轨迹修正;选用VG941-3AM型光纤陀螺仪和JN-06A型挠性加速度计组成惯导系统,分别在重复行驶和复杂行驶条件下进行了车载试验。试验结果表明：动态零速修正技术能够有效抑制车载惯性导航误差增长,在30min不停车条件下,能够使惯性导航精度提高1～3个数量级。     

石英挠性加速度计温度稳定性改进设计

石英挠性加速度计是捷联式惯导、重力梯度计等惯性测量设备的核心元件,其偏值和标度因数的温度稳定性是影响惯性测量设备性能的重要因素。为提高加速度计温度稳定性,从结构设计、材料选择、工艺改进、磁路优化四个方面进行了改进设计。首先,分析了加速度计零偏和标度因数温度稳定性影响机理。其次,设计了摆片隔离槽结构,摆片与骨架之间采用二次过渡粘接工艺,力矩器线圈骨架选用温度性能更好的氮化铝陶瓷材料,优化了上下磁路连接方式。最后,对改进措施进行了实验验证,实验结果表明,改进后的石英挠性加速度计全温条件下（-40℃～+60℃）偏值和标度因数温度系数减小约30μg/℃和10 ppm/℃,降低到6.8μg/℃和13.7 ppm/℃,显著改善了加速度计的温度稳定性。