一种提高电子罗盘航向和姿态测量精度的新方法

摘要： 针对电子罗盘在甚小口径终端（Very Small Aperture Terminal,VSAT）应用中出现的航向和姿态测量精度问题进行了研究.讨论了电子罗盘航向和姿态测量的基本原理,推导了姿态测量误差和航向测量误差的数学模型,分析了滚转角和航向角测量误差随俯仰角增大而增大的原因,提出了一种提高航向和姿态测量精度的新方法.仿真和实测结果表明：新方法能基本消除俯仰角对滚转角测量精度的影响,同时能有效提高航向角测量精度.在转台俯仰角30°情况下,采用新方法修正后的滚转角精度约为0.2°,航向角精度约为0.5°.     

基于自适应平方根UKF的微机械传感器融合航姿估计

提出一种新的基于自适应平方根UKF的微机械传感器组合姿态测量系统.该系统采用3轴微机械陀螺积分得到姿态角,采用3轴微机械加速度计测量重力矢量得到俯仰角和横滚角,分别校正俯仰漂移和横滚陀螺漂移;采用磁强计得到航向角,并与陀螺积分角度融合校正航向陀螺漂移.跑车实验结果表明,基于自适应平方根UKF算法可实时估计机动加速度干扰,并在融合滤波器中进行补偿,能够有效去除车辆机动加速度干扰,姿态角估计精度在±0.6°以内.     

宽带移动卫星通信低成本组合姿态确定算法

针对现有低成本微机械惯性器件无法满足宽带移动卫星通信系统在机动状态下天线指向精度的问题,提出了微机械惯性测量单元与闭环跟踪信息相结合的姿态确定算法.该算法在航向上引入闭环跟踪的指向偏差角,经PI控制器反向校正航向陀螺的漂移误差,并利用跟踪指向信息的低频分量和陀螺的高频分量估计航向角.在横滚和俯仰上,首先以改进欧拉角作为状态向量,根据陀螺角速率信息和加速度计的重力场信息分别建立状态方程和测量方程;然后依据航向角速率和俯仰角偏差对载体运动状态进行判别,并在载体机动下调整方差矩阵以依赖陀螺进行姿态估计,克服机动加速度的扰动.实验结果表明,该算法与自适应卡尔曼滤波器相比,在载体机动状态下精度更高,其航向估计精度在±0.8°,倾角在±0.5°内,满足动中通姿态稳定精度要求.     

一种基于位置修正和卡尔曼滤波的姿态角推算算法

在动态载体如汽车、船舶或静态载体如桥梁,房屋的姿态推算中,使用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)进行载体测向比起使用惯性传感器成本较低,且随时间不会累积误差。针对在多天线基线解算时存在的接收机时钟不同步造成基线解算精度下降,以及载体运动过程中多径和周跳等造成的误差问题,本文提出了一种基于参考天线位置修正的扩展卡尔曼滤波(extended kalman filter,EKF)算法,根据载体移动速度和接收机之间的时钟差对每一历元载体参考天线位置矫正,提高基线解算的精度,从而提高姿态角精度。基线解算采用实时动态定位技术(real time kinematic,RTK),根据接收机给出的载波相位观测量,在参考天线和其他天线之间做双差建立观测方程,求解出基线向量。将得到的多组基线向量利用最小二乘法求解出姿态角。根据实际测试表明,该方法在基线长度不超过1.5米的情况下,静态航向角和俯仰角精度达到0.2°,低动态情况下航向角精度达到0.2°,俯仰角精度达到0.3°。     

基于改进型最小二乘搜索的 GNSS 姿态测量方法

结合全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)用于姿态测量具有基线已知的特点,提出了一种改进型最小二乘搜索算法:将整周模糊度分为基本组和剩余组,在伪距精度和基线长度约束条件下确定出基本模糊度组的搜索空间;然后根据模糊度与基线俯仰角、航向角的关系,并以俯仰、航向角度组合作为联系基本组和剩余组的中间变量,通过搜索基本模糊度组来确定出剩余模糊度组合;最后利用最小二乘解算基线矢量,在二次残差比值检验条件下,完成整周模糊度的固定及姿态解算.实验结果表明,改进算法不仅有效减小了模糊度的搜索空间,而且缩短了模糊度初始化时间,具有较高的测姿精度,适用于GNSS姿态测量.     

基于超短基线的GPS测姿算法研究

针对超短基线下姿态测量结果稳定性差及可靠性低的问题,提出一种更加可靠稳定的基于超短基线的全球定位系统（global positioning system,GPS）姿态测量算法。构建了扩展卡尔曼滤波（extended Kalman filtering,EKF）模型,并对扩展卡尔曼滤波模型中测量噪声矩阵采用基于卫星高度角模型,得出比较准确的浮点模糊度;联立了载波双差观测方程和伪距双差观测方程,并采用改进模糊度最小二乘去相关平差法（modified least-squares ambiguity decorrelation adjustment algorithm,M-LAMBDA）进行快速模糊度固定解算;利用了滤波法进行姿态解算。实验结果表明,与其他测姿算法相比,该算法可适用于超短基线,能够提高姿态结果的稳定性与可靠性,在基线为20 cm静态环境中,该算法模型航向角的误差方差为0.1左右,航向角的绝对误差为2°左右。在基线为20 cm动态环境中,该算法模型航向角的误差方差为2左右,姿态角的绝对误差为3°左右。     

组合导航中磁强计干扰估计与补偿方法

针对磁场干扰较大导致组合导航定位中磁强计解算航向角严重失准的问题,提出一种磁强计的磁场干扰补偿方法。分析了磁强计输出模型,利用陀螺仪求解的航向角差、横滚角和俯仰角,建立磁场干扰模型。将三轴磁场干扰转化为两轴磁场干扰,再采用最小二乘拟合法对其进行估计并补偿,输出补偿后的航向角。在人为设置磁场干扰源的条件下进行转台实验,实验结果表明,该方法补偿后的磁强计磁场干扰得到有效抑制,航向角精度有效提高。     

移动卫星通信低成本多传感器融合姿态估计方法

针对低成本移动卫星通信终端的天线姿态估计问题,提出了一种基于自适应滤波的低成本多传感器融合姿态估计方法.该方法通过融合微机械陀螺信息和加速度计重力场测量信息来得到精确的水平姿态角估计;通过融合单基线GPS高精度的航向角测量与陀螺信息保证航向角精度.在单基线GPS失锁的情况下,利用机动加速度观测对融合滤波器进行自适应控制,与标准平方根无迹卡尔曼滤波器相比,有效地克服了机动加速度影响.实验结果表明:所提出的低成本姿态估计方法在单基线GPS锁定或短时间失锁情况下,能够满足宽带移动卫星通信天线波束对准精度要求,三维姿态角误差均小于0.5°.     

GNSS/MIMU紧组合系统在无人机中的应用分析

航测行业应用对无人机作业时的定位精度、稳定性均有非常强的行业要求,不仅要求设备有厘米级的精确度,还要求高频输出设备速度和高精确度的三维姿态.针对单一的捷联式惯导系统或全球卫星定位系统都存在各自的不足点,在特殊的环境下无法满足当前无人机对高精度要求的现状,设计一款基于微惯性测量单元-MIMU的紧性组合系统,该定位系统利用集中式Kalman滤波器对其进行算法融合.通过实际定位对比实验实测数据表明:在WGS-84坐标系中XYZ 3个方向的位置误差RMS分别为2.2 cm、2.9 cm、4.8 cm;在俯仰、横滚、航向3个方向姿态误差RMS为0.07°、0.13°、0.2°,ENU 3个方向的速度误差RMS分别为0.032 m/s、0.065 m/s、0.286 m/s,该系统的定位误差可精确到厘米级别,能够满足无人机航测高精度的位置、姿态、速度需求,同时也满足企业对于其成本的追求.     

弹体滚速和舵机时间常数对炮弹制导精度的影响

通过建立滚转制导炮弹的动力学模型,分析了弹体滚转速度与舵机时间常数对于炮弹落点精度的影响.采用2对舵面控制俯仰与偏航运动的制导炮弹,它的舵系统输入指令为三角函数.随着滚速的提高和舵机时间常数的增大,舵系统的跟踪误差加大;在舵系统输入指令中适当增加相位超前角时,舵系统的跟踪精度显著提高,相位超前角约为弹体滚速和舵机时间常数的乘积.对包含舵指令转换方程和舵机动力学方程的制导炮弹动力学模型进行仿真.仿真结果表明,当弹体滚速为5 r/s,时间常数为0.01时,相位补偿前的落点误差为50.31 m;增加相位超前角2.5°,落点误差为5.14 m.说明选择与弹体滚速和时间常数相匹配的相位补偿角可大大提高制导炮弹的落点精度.该文分析结果可为炮弹滚转速度选择和舵机系统设计提供参考.     

模糊度二维搜索的姿态测量改进算法

值域算法由于采用遍历姿态角的方式建立搜索空间,从而会造成初始化时间较长的问题,故提出了一种基于窄巷组合的模糊度二维搜索算法:首先基于卫星空间几何关系对参考星与两颗主星间的窄巷主模糊度范围进行约束,利用其与姿态角之间的关系推得全体候选姿态角,从而以一种非遍历且不遗漏正确候选姿态角的途径得到搜索范围。然后基于值域二维搜索模型求解各候选姿态角相对应的窄巷模糊度浮点解,就近取整后依次采用模糊度整数特性法、基线先验信息法以及基线残差平方和最小准则固定整周模糊度。试验结果表明:文中算法相比原算法,不仅初始化时间由先前的153 s缩短至76 s,而且姿态精度总体提高近15%。     

基于历史基线长度减小动态基线向量噪声的方法

静态情况下,GNSS载波相位相对定位可以通过对不同历元的三维基线向量按各自的维度滤波,从而减小基线向量噪声.而动态情况下,不同历元的基线向量不一定不变,故无法使用滤波算法.对于动态定向、定姿等应用,基线长度一般是固定的,通过对不同历元间基线长度取均值,平均基线长度的噪声将小于当前历元的基线向量噪声.基于此,本文提出一种基于历史基线长度减小动态基线向量噪声的方法.设计了将历史基线长度和当前历元基线向量进行数据融合的数学模型,推导了模型中的权值矩阵.通过误差传递的关系,得到噪声减小的理论表达式.通过仿真和实测基线数据验证该算法的性能,结果和理论分析一致.该算法实现简单,可在不添加硬件资源的情况下将基线向量噪声减小至80%左右.      

多标声学组合定位导航方法

为解决超短基线在远距离处定位导航绝对精度差的问题,提出一种长/超短基线组合声学定位导航方法.运用最小均方误差准则,对长基线和超短基线的定位结果进行信息融合.理论推导和仿真试验均表明:该方法提高了定位导航精度,扩大了作用区域,其性能优于长基线定位导航系统.     

一种新阵型改进超短基线定位精度方法

 超短基线是一种常用的水声定位技术,与其他基线相比,超短基线定位系统基线基阵尺寸小,易于安装。由于远距离误差发散快,超短基线作用距离短,所以其定位精度通常也不高。为了解决超短基线由于自身尺寸小而导致在远距离目标定位中定位精度差的问题,本文通过对传统4元正交阵进行阵型优化,提高了超短基线系统定位精度。相比已有的改进超短基线阵方法,该方法或减少了阵元数,或降低了发射端的制作难度。同时,针对新阵型定位算法,本文给出了相位补偿公式。仿真分析结果表明：新阵型在0°~360°内,目标定位精度比传统超短基线阵提高了近8倍,能够实现对远距离目标的高精度定位。     

有浪条件下舰载机弹射起飞建模研究

有浪条件下,航空母舰的摇摆会影响舰载机的安全起飞.对有浪条件下舰载机弹射起飞过程受力、运动情况进行了分析.采用柔性起落架来实现航空母舰与舰载机之间的干涉,建立了模块化的仿真系统并研究了中等海况下航空母舰的摇摆对舰载机弹射起飞的影响.仿真结果表明,中等海况下纵摇是导致下沉的主要因素,最大下沉量可达15 m;横摇导致最大下沉约0.2m;垂荡导致最大下沉约1m;横摇会导致明显的横侧向运动;纵摇、横摇、垂荡均会导致起落架最大载荷显著增大.     

正方网格迭代寻优评定深孔轴线直线度

针对评定深孔轴线直线度难以确定最优基线的难题,提出了正方网格迭代寻优评定深孔轴线直线度。以正方形网格划分最优评定基线所在的空间区域,以网格的交点为端点建立评定基线,以评定出的直线度最小值为导向搜索最优评定基线。上一次正方形网格化后的最优评定基线和最小直线度为基础,重新进行下一次的正方形网格划分搜索最优评定基线,如此循环以搜索全局最优评定基线,并计算出最终的直线度。将算法与其他算法比较,验证了算法的优越性。此外,正方网格迭代寻优可应用于空间任一实际直线的直线度评定,能够为直线度评定提供参考。     

Comparison of the accuracy of powder and single-crystal X-ray diffraction techniques in determining organic crystal structure

This study demonstrates the accuracy of powder X-ray diffraction (PXRD) in determining the crystal structures of four organic molecules by comparing the structural information obtained from both single-crystal X-ray diffraction (SXRD) and PXRD techniques. Results showed that the PXRD technique had approximately the same precision as the SXRD technique. The majority of the relative deviations from PXRD-derived lattice parameters were within ±0.2 % of the correct values (average of the SXRD data), whereas the relative deviations in bond lengths and angles are within ±1.0 %. All of the relative deviations were subjected to normal statistical distributions (μ = 0) and coincided with the SXRD data. As an auxiliary implement of SXRD, PXRD is clearly an effective and powerful technique in establishing an accurate characterization of organic molecules.     

四川汉源县二道坪滑坡成因及稳定性分析

在人类工程活动影响下,持续的强降雨极大的加速了滑坡、崩塌等地质灾害的发生,二道坪在受到人类工程活动同时,受到强降雨影响,导致二道坪坡体处于欠稳定状态。为了对二道坪滑坡的成因及稳定性分析,在对现场进行详细勘察后,结合无人机、工程地质学以及土力学等手段,对其进行研究。结果表明:二道坪主滑方向为100°,纵向长约174 m,横向宽约92 m,滑坡体面积约1.50万m~2,滑体平均厚度约4.5 m,体积约6.75万m~3,属小型滑坡;滑坡体为浅地表为第四系松散体及含角砾粉质黏土层,滑带为易溶于水的含角砾粉质黏土层,为滑坡的启动提供了有利条件;根据定量分析结果,在持续强降雨条件下(饱和状态),稳定系数为1.05,在地震和暴雨共同作用下稳定性系数为0.85,滑坡启动。     

利用姿态约束的并联机器人运动学标定方法

为了提高并联机器人运动精度,提出了一种利用姿态约束的运动学标定方法.借助一个双轴倾角仪,建立了机器人末端2个姿态角恒定约束,根据这种约束构造了相应的辨识模型和标定算法.标定算法得益于倾角仪重复精度和分辨率高于位置精度的特点,不受其位置精度和量程的限制,同时可避免施加机械约束给并联机器人主动关节带来特殊要求.仿真计算表明,在杆长测量精度为2μm、倾角仪重复精度为0.001°的条件下,经过标定后并联机器人的位置精度可达0.1 mm,姿态精度可达0.01°.