高性能导航增强测试信号模拟器技术研究

高性能导航增强测试信号模拟器集中反映了国家卫星导航系统建设与应用的技术水平,课题涉及导航卫星轨道高精度仿真、导航信号精密生成、载波相位精确控制和传输误差仿真等许多高精尖技术,是国际卫星导航领域争夺的战略制高点之一,其性能水平将直接影响我国卫星导航终端产品参与国际市场竞争的能力。随着我国北斗二代卫星导航系统建设和应用产业化的推进,测量型、高动态型、抗干扰型等用户终端检测已经成为我国GNSS高端用户终端研制与应用的瓶颈难题。国外一直将高端高性能导航增强测试信号设备作为制约我国卫星导航系统建设和发展的重要手段并一直对我国禁运。研究具有独立自主知识产权的高性能导航增强测试信号模拟器及标校技术,有利于提升我国卫星导航系统的国际竞争能力,促进我国卫星导航终端产品研制水平,加速我国导航设备示范应用产业化进程具有极其重要的意义。课题从研究途径来看可以划分为多体制和高性能两个关键点,其中"多体制"是实现多星座多体制卫星导航信号和地面导航增强信号仿真;"高性能"是要在既有信号模拟技术基础上进一步突破高精度模拟的性能瓶颈;最后为了充分发挥检测系统的测试作用,提高系统可用性,需要研究相关测试理论及实现技术。研究涉及的算法模型与技术包括多体制高性能GNSS模拟器数学仿真技术、精密信号时延控制与高质量信号生成技术、高精度高动态GNSS射频信号模拟技术、GNSS仿真信号高精度校核与可信度评估技术等。     

高精度星模拟器的光学系统与光源设计

针对星敏感器地面标定设备的要求,设计了一种基于数字化控制的高精度、全光谱静态星等模拟器.系统采用无畸变、高成像质量的准直光学系统模拟"无穷远"的星光;控制采用脉宽调制(PWM)技术,设计驱动电路的硬件和软件.在暗室条件下测试验证星模拟器,结果表明:该星模拟器实现了0,0.5,1,…,6.5,7等15个星等挡位的联合调节与单独调节功能,模拟精度为±0.1~m,控制距离为10 m,控制误差不超过±0.1%.     

利用回波模拟对激光测距精度检验系统的设计

为解决激光测距在实际测量中受外部因素而导致结果不准确的问题, 设计了一种回波模拟系统对实测结 果进行检验。 测距系统向回波系统发射一束窄脉宽激光, PIN(Positive Input Negative)对激光采集和光电转换, 将转换完成的电信号发送至 FPGA(Field-Programmable Gate Array)中, FPGA 通过内置 PLL(Phase Locked Loop) 对电信号进行 15 倍频操作和高精度延时。 激光驱动部分利用 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)管开关性质产生窄脉冲信号, 对激光器进行调制模拟实际测量中的回波激光,最后在测距系统中得 出模拟结果。 通过对同一距离和不同距离的多次测量结果表明, 系统稳定性较高, 精度达到 0. 17 m, 误差为 0. 03 m。     

基于机器视觉和激光测距的输电线故障定位

结合定位技术和激光测距技术,提出了一种基于机器视觉的电力巡线故障定位新方法.通过无人机搭载可见光相机进行巡线拍摄,将航拍图像实时传回地面站进行处理.采用数学形态学的图像处理方法和模式识别方法进行故障检测与识别.通过惯性测量系统进行初步定位,得到无人机的经纬度坐标.利用无人机机载激光测距模块,测量故障点到无人机的距离来修正坐标.最后,经过空间大地坐标系和空间直角坐标系的变换,以及两个空间直角坐标系的基准转换,计算出了故障点的准确位置,并且很大程度地提高了定位的准确性,其空间直角坐标测量精度可达0.11m.     

一种提高脉冲激光测距中时间测量精度的方法

脉冲激光测距的应用非常广泛,其中提高测距精度是该项技术的核心之一.为实现脉冲激光测距的高精度,提出一种时间间隔测量的方法.设计采用单片机控制时间测量芯片,对发射脉冲和返回脉冲信号延迟进行测量,同时利用时间测量芯片对测量结果进行自动校准,并采用定比例时点判别可减小信号变化对时点判别的影响.通过定点测量,结果表明该方法简化了器件设计,达到了较高的测距精度,最后分析了影响脉冲激光测距精度的误差的原因.     

自触发式脉冲激光雷达响应延迟对测量结果的影响

分析了自触发式脉冲激光测距系统的结构,确定了信号响应延迟的来源。在常温常压环境下使用该激光测距系统对于标定距离进行测量,得到实验结果并与理论计算的正确结果进行对比,得到了它们两者之间的关系。根据这一关系推导出修正补偿关系式。最后再次用该系统进行测量,依据修正补偿关系式修改程序算法给出修正结果,修正后测量距离结果的误差可以缩小到毫米级,验证了修正措施的有效性,实验结果稳定。     

基于激光测距的双机器人管道测绘方法

为解决传统天然气管道测绘设备只能测绘直管道且测绘距离近的问题，提出基于激光测距的双机器人管道测绘方法.管道分为水平直管道段、90°水平弯管道段、上/下坡管道段和复合管道.方法中两机器人从管道入口处开始交替匀速前进，直至离开管道，通过解算机器人获取的距离数据，得到每段运动中管道段的三维模型，最后进行拼接，完成对整条管道的测绘.实验结果表明，本方法实现了对不同管道的测绘，并有效提升了管道测绘的距离，2000m距离误差在4m内，误差率约为0.178%.     

基于激光测距无人机的输电线路覆冰厚度测量

输电线路覆冰严重危害着输电线路地安全稳定运行。为了便捷、快速、高精度地对输电线路覆冰状况进行监测,提出了将激光测距技术和无人机技术相结合,研究了基于单频测尺的相位式激光测距无人机的输电线路覆冰厚度的测量方法。首先,研究了基于单频测尺的相位式激光测距的基本原理,提高了激光测距的精度和测量速度。然后,重点研究了基于激光测距测量覆冰厚度的基本原理,推导了激光测量距离与覆冰厚度之间的计算方法。接着,研制了基于单频测尺的相位式激光测距无人机测量输电线路覆冰厚度的测量系统,根据测量精度对主要部件和参数进行选型。最后,分别在人工气候室和现场实际进行了输电导线覆冰测量,验证了基于单频测尺的相位式激光测距无人机对输电线路覆冰厚度地实际测量有效性,并进行了误差分析。     

相位式激光测距系统电路温度特性仿真分析

为了分析温度对相位式激光测距系统电路相位的影响,采用Pspice电路仿真软件对相位式激光测距接收电路进行建模。分别对放大电路模块、自动增益控制模块、混频与选频网络在不同温度下进行频率特性仿真分析,得到各个电路模块在不同温度下10 MHz频率处的相位延迟。仿真结果表明,不同温度下相位式激光测距接收电路的相位延迟是不同的。最后,采用相位式激光测距系统电路进行测试实验,使用数据采集模块对信号连续采集,通过matlab对采集的数据进行读取并计算不同温度下的相位延迟,实际测试结论验证了仿真分析的正确性。     

基于时间延迟动态预测的自动驾驶控制

由于驾驶过程中的延迟和前视距离等因素,无人车无法准确跟踪规划轨迹。该文通过选择简化的自行车车辆模型,在纯跟踪模型的基础上对原有的算法进行优化,提出了一种基于动态延迟预测的自动驾驶控制方法。通过车辆运动学模型预测延迟后的车辆运动方向和位置信息,并根据行驶方向和轨迹方向之间的偏差值,获得最佳前视距离。MATLAB仿真结果表明,改进的算法可以以7m/s的行驶速度跟踪规划轨迹,平均误差可以控制在0.3m以内,跟踪性能优于传统的纯跟踪方法。     

多通道脉冲激光探测技术研究

在介绍多通道激光探测系统工作原理的基础上,设计了一种基于数字化的激光探测系统,采用一种基于抛物线内插互相关时延估计的激光定距方法,从而进一步提高定距精度. 该系统采用6路双通道ADC并行采样,具有较好的实时性. 仿真结果表明,互相关时延估计算法能够在低信噪比（R_SN=-7 dB）下实现定距,最大距离误差为0.74 m.      

新型线阵红外地球敏感器高精度激励源设计

在卫星用红外地球敏感器研制过程中,需要为其提供激励信号作为半物理仿真的测试基准。根据新型线阵红外地球敏感器的特点,设计一种高精度的激励信号发生系统。系统包括硬件部分和软件部分。系统获得软件设置的卫星姿态信息后,解算四路模拟的地球/太空穿越位置。根据穿越位置数字量,系统通过D/A转换控制输出锯齿波的电压信号,作为激励信号,实现对红外地球敏感器的半物理仿真。测试结果表明,系统输出的激励能够适应新型线阵红外地球敏感器进行高精度姿态性能测试和半物理仿真的要求,并已得到应用。     

基于调频测相的激光引信测距方法研究

为提高激光引信测距精度和实时性并降低系统实现难度,提出了一种基于调频测相的激光测距方法,该方法采用正弦调频+相位测距的方式实现测距. 重点分析了调频测相激光测距原理,指出了影响测距精度的主要因素. 提出采用基于Hilbert变换的相位差测量方法可提高测相精度,并进行了相关的仿真验证. 仿真结果表明,在信噪比为14 dB的情况下测距精度优于0.1 m,且有较强的测距实时性,此方法可用于激光近炸引信.     

LDV对典型电工材料表面非接触振动检测的有效性分析

为实现对电力设备表面振动的远距离测量，搭建1 550 nm收发一体的全光纤激光多普勒测振仪(laser Doppler vibrometer, LDV)系统.加工不同电工材料(铁、铝合金、铜、铝、硅橡胶、高强陶瓷)表面试样，通过电磁振动台对不同距离试样施加频率为0.05～2.00 kHz的机械振动，使用研制的LDV系统对不同电工材料表面振动测量的频响特性和距离特性进行对比分析，以探究LDV技术在典型电工材料非接触振动测量的有效性.试验结果表明，所搭建的LDV系统能够在3 m的安全工作距离内，实现对不同电工材料表面在典型设备运行工况下的振动波形采集. LDV系统对除硅橡胶和铁以外的4种电工材料均有良好的振动测试效果，并且对铝合金及铝材料能够实现3～10 m的距离响应.     

基于网络的液压马达伺服位置系统自适应鲁棒积分控制

针对基于网络的液压伺服控制系统面临的网络延时和阀控马达建模结构不确定性问题,提出了基于Pade定理和反步推导方法合成的误差符号鲁棒积分自适应控制器。该控制器使用Pade定理近似处理时变网络引起的延时,降低延时对控制系统跟踪性能的影响,应用自适应率逼近系统结构不确定性和延时误差值,采用误差符号控制方法补偿剩余的结构不确定性。通过构造合适的Lyapunov函数,验证了闭环系统的全局稳定性,保证闭环系统所有信号的有界性和跟踪误差渐进收敛性。仿真结果表明了该控制方法的高精度跟踪性能。     

PCSS通信测距复合系统中一种改进的映射方法

为了提高通信测距复合系统的信息传输速率,实现数据与序列的完全映射,将并行组合扩频技术（parallel combinatory spread spectrum,PCSS）应用于复合系统,提出了一种改进的r_组合数据序列映射方法。在发送端采用所提出的映射方法实现数据的扩频传输,在接收端采用改进的广义互相关算法进行时延估计和数据解扩,同时实现了信息传输和距离测量。仿真结果表明,改进的数据序列映射方法实现了映射的唯一性,提高了数据的映射效率,提升了PCSS通信测距复合系统的信息传输速率;改进的广义互相关算法在低信噪比下具有更好的时延估计性能。因此,所提方法能使PCSS通信测距复合系统更有效地完成测距任务和通信任务,可为通信测距复合系统的理论研究和工程应用提供参考。     

并行鉴相测距激光雷达

介绍了基于相位法的测距方法,即方波与方波相关法。提出了测量方案和算法。并用Matlab的Simulink工具对测距原理进行了仿真,还对测距精度进行了分析。从理论上证明了此种相位法测距的可行性,为实际激光测距系统的研制奠定了基础。     

不确定时滞过程Smith预估鲁棒H∞控制器的设计

以不确定大时滞过程为研究对象 ,对常规的 Smith预估控制系统进行变形 ,然后用灵敏度最小原则设计 H∞ 控制器 ,实现了对不确定大时滞过程的鲁棒性控制 .理论分析和仿真结果表明 ,这种新型控制方法能消除大时滞带来的不良影响 ,且鲁棒性强 ,能够有效抑制干扰和模型不确定性 ,只用一个可调参数就能有效协调系统的鲁棒性能和标称性能 .