基于平行光管的星敏感器焦平面离焦距离检测设备设计及其误差分析

在星敏感器中,使用离焦成像的方式实现对恒星的成像,成像质量直接影响着测量定位精度。而星敏感器光学系统和图像传感器之间的离焦距离是寻找最优成像的重要参数。为了准确测得此离焦距离,设计了基于平行光管的星敏感器焦平面离焦距离检测设备,并针对设备设计原理中影响检测精度的各项因素进行误差分析。首先,在检测原理公式的基础之上,给出主要设计参数。其次,结合检测原理公式分析主要影响因素,即平行光管焦距误差、星敏光学系统焦距误差和直线位移台运动分辨率,并针对不同取值范围进行了仿真,验证了设计参数的理论合理性。     

基于信息等量压缩的单星星光-惯性制导原理研究

星光-惯性制导是一种复合制导体制,它能有效地提高弹道导弹的命中精度.首先建立了单星平台星光制导的测量模型与修正模型,提出了信息等量压缩的概念,研究了其基本原理.在此基础上,阐明了单星方案能够与双星方案达到同样精度的原理,为快速确定单星最佳测星方位提供了理论依据.最后分析了导航星偏离最佳星方位时的制导误差,并提出了一种补偿方法.     

基于特征点的空间目标三维位姿单目视觉确定算法

针对基于特征点的空间目标包括相对位置和相对姿态等的三维位姿单目视觉确定问题,提出了一种基于逆投影思想的迭代方法.给出了一种包含景深估计和绝对方位解算两阶段的迭代算法,在景深估计阶段首先计算由转移矩阵表示的最优平移矢量,然后重构各特征点,并利用其在逆投影线上投影更新各特征点的景深;在绝对方位解算阶段采用Umeyama绝对方位解析算法计算相对姿态矩阵,上述两阶段迭代进行直至结果收敛.利用全局性收敛性定理证明了文中算法的全局收敛性.最后,以航天器交会对接最终逼近段的视觉测量为背景对该算法进行了数学和物理仿真,进一步验证了算法的有效性和收敛性.     

神舟飞船交会对接人工控制系统设计

神舟九号飞船首次人工控制(以下简称"人控")交会对接的圆满完成,标志着我国全面掌握了空间交会对接人工控制和自动控制技术.交会对接人控系统为航天员提供稳定可靠的操作平台和驾驶飞船的操作方法,对人控交会对接任务的成败起着至关重要的作用.本文在分析交会对接人控系统设计原则的基础上,阐述了人控交会对接控制系统组成和各主要部件的工作原理,首次提出了通过电视摄像机图像进行相对状态确定的测量参数定义及其估计方法,并给出了人控交会对接的操作方法.神舟九号的在轨验证说明了交会对接人控系统操作简单、可靠,满足高精度的对接要求,该项技术具有良好应用前景.     

用于视觉导航中的摄像机标定方法研究

为了解决摄像机标定的非线性优化过程中解的不稳定性问题,提出了一种线性的摄像机标定方法.该方法首先利用透视投影的交比不变性原理,在畸变模型为一阶径向畸变的情况下,根据空间共线4点的图像坐标及其交比,线性标定出摄像机镜头的畸变参数;然后,基于考虑径向畸变的摄像机成像模型的约束关系.线性标定出其他摄像机参数.实验结果表明,该方法标定模板制作简单,操作方便,具有一定的鲁棒性,可以满足农业机器人视觉导航中的精度要求.     

微波网络分析仪的校准

对微波网络分析仪和测试夹具的校准方法和校准过程经常出现的问题进行了介绍. 从提高校准精度的角度, 针对不同的测试端口和相应的校准标准, 提出了选取校准方法和运算方法的准则, 同时给出了解决这些问题和提高校准精度的具体建议. 发现并通过实验验证直通标准得到的4个方程能够同时使用, 并可以获得精确的结果. 实验中, 观察到对同一校准方法, 采用不同的运算方法可能导致频率限制问题的出现.     

阵列误差有源校正算法及其改进

阵列互耦、幅相误差以及阵元位置误差的综合影响会严重影响MU-SIC算法的测向性能.为此,本文主要研究了由这3种误差引起的阵列误差校正问题.该文在已有的阵列误差校正算法(算法1)的基础上,给出了一种基于互耦矩阵稀疏性的阵列误差校正算法(算法2)和一种利用互耦矩阵特殊结构的阵列误差校正算法(算法3).虽然3种算法具有相同的计算模式和理论框架,但后2种算法因利用了互耦矩阵的更多性质,从而提高了参数估计精度,而对于均匀线阵和均匀圆阵而言,算法3的优势更加明显.另一方面,文中还将上述3种算法推广应用于校正源方位存在偏差的情况,它们在校正阵列误差的同时,还可以补偿校正源的方位偏差.最后,分别在校正源方位无偏差和有偏差这两种情况下,通过仿真实验分析和比较了3种校正算法的参数估计性能.大量仿真实验表明,若能尽可能多地利用互耦矩阵的特殊性质,将十分有利于提高阵列误差的校正精度.     

用改进的平行热线法测量绝热材料导热系数的研究

基于平行热线法的测量原理,在加热电路中串联一个限流电阻,使加热过程中由于热线温升引起电阻增大造成的功率变化减小至0.6%,提高测量精度;采用铂电阻温度传感器代替传统的热电偶实现温度测量,用于低温下的温度测量,扩大导热系数测量范围。采用这种测量方法,搭建绝热材料导热系数的测量平台,测量硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数,与国家玻璃纤维产品质量监督检验中心的鉴定结果对比,其相对误差在5%以内,验证了改进的平行热线法的正确性。     

一种基于基片集成波导的基片介电常数测量方法

设计制造微波毫米波微带集成电路必须首先获知介质基片的相对介电常数。然而传统基于介质填充波导的测量方法由于存在介质同波导壁之间的空气间隙和需要制作精确的介质样片，从而导致测量过程复杂，测量结果精度不高。利用基片集成波导的类波导特性及其导体介质之间的无缝隙特性，提出了一种快速准确地测量介质基片介电常数的方法。仿真和实际测试的结果验证了该方法的准确性和有效性。     

一种基于高斯过程的数据驱动光度立体视觉全局优化算法

光度立体视觉技术难点之一在于快速有效地解决非朗伯体材料的复杂反射问题,针对这一问题,本文提出了一种基于高斯过程的数据驱动光度立体视觉全局优化算法.该方法利用高斯过程,通过贝叶斯推理学习给定材料的实测双向反射分布函数值,建立用于描述非朗伯体材料非线性反射性质的连续数学模型.该模型以光源方向和表面反射光强作为输入,以双向反射分布函数值作为输出,可在光度立体视觉系统中建立更为精确的反射模型,从而得到更高的法向量预测精度.仿真实验和实际实验表明,该方法显著提升了光度立体视觉的法向量恢复精度,且拥有较高的计算效率.     

虚拟场景漫游中用户关注度的内隐测量方法

目前测量用户关注度的主要方法是使用眼动仪,但其可靠性差、复杂度高且价格昂贵,难以有效应用于3D漫游场景的处理.本文提出一种易于嵌入到虚拟场景中的用户关注度软件测量方法,将用户操作虚拟摄像机漫游场景看作关注度内隐表达过程,通过物体相对摄像机中心的距离、遮挡情况和投影面积,并结合观察时间,就可以进行有效测量.通过用户学习分析,表明我们的方法具有很好的测量准确性、可靠性,并方便使用.将其应用于游戏场景物体关注度的评估中,获得了很好的效果.     

基于去伪加权方差最小化算法的大型复杂零部件局部配准全局方法研究

以汽车飞轮壳、车身为典型代表的大型复杂零部件机器人加工质量高度依赖于测量技术.针对现有点云配准算法难以抑制由于结构偏差、余量分布不均和各种测量固有缺陷所引起的匹配偏差问题,本文围绕局部配准定位全局的思路,提出一种去伪加权方差最小化(DPWVM)算法用于点云精配准.建立自适应比例因子调节的权重函数,区分结构偏差点云和其他异常点云,从而对每个点对距离施加合理权重,以降低结构偏差点云对配准精度的影响.进一步,统一点到点距离和点到面距离,建立自适应协调距离,以提升算法收敛稳定性.本文所提算法在汽车飞轮壳局部配准定位全局的过程中可有效提高配准精度并抑制匹配倾斜,相比于ICP、VMM算法,绝对定位精度分别提升18.9%和66.7%,匹配倾斜抑制程度分别提升25.9%和85.3%,与WPMAVM算法相比,收敛稳定性进一步提高.此外,本文所提方法仅需单次数据采集即可有效配准定位,极大地提高了配准效率.     

深空站区域对流层延迟模型构建及在嫦娥四号中的应用

深空干涉测量系统实时模式下主要依赖经典模型进行对流层延迟修正,但修正效果不佳,严重限制了实时测量精度.基于此,本文构建了一种区域高精度对流层延迟模型.首先,通过对流层延迟实测值与模型值的比对确定了Saastamoinen模型天顶延迟估计的修正系数,修正后对流层天顶延迟偏差由1.24 ns降至约0.9 ps;其次,为突破Saastamoinen模型气象数据约束,提出了高程修正的UNB3m模型,建立了测站区域大气参数估计模型,大气压强、温度、水汽压的估计偏差分别约为3.9 mbar, 6.7 K, 0.63 mbar,由大气参数模型值与实测值得到的对流层天顶延迟偏差约为14 ps,显著增强了天顶延迟估计的实时性;最后,通过分析Niell映射函数规律,确定干映射参数a为响应的主要影响参数,进一步通过最小二乘处理得到了参数a的最佳值.结果表明在仰角10°时,对流层延迟偏差约0.3 ns,相对缩小近1个量级.利用本文所提模型,嫦娥四号探测器实时定轨残差与事后对流层延迟实测值条件下的结果基本一致,相对原始对流层模型下的定轨残差显著改善.本文所提对流层区域模型不依赖于大气参数实测数据,估计精度高,可显著改善深空干涉测量实时定轨支持能力.     

中国载人交会对接技术的设计与实现

中国在载人航天工程第二步第一阶段任务中,自主研制了天宫一号目标飞行器和神舟八号、神舟九号、神舟十号载人飞船,通过3次在轨飞行任务完成了8次交会、6次对接,覆盖了自动和手动等多种交会对接模式,突破并掌握了交会对接技术.从交会对接系统、交会轨道、交会测量和控制、信息传输、对接与分离、飞行方案,以及试验验证等方面对中国载人交会对接设计的技术特点、所采用的创新技术方法和解决的技术难题进行了介绍,在飞行验证的基础上分析了工程任务取得的成果,与国际水平进行了综合比较,对中国载人交会对接技术的设计和研制情况进行了总结.     

不稳定平台晃动测量与修正方法研究

不稳定平台晃动的测量与修正是工程实践中的一个难题,直接影响着安装于其上的仪器设备的测量精度.本文提出了一种基于摄像测量原理的不稳定平台晃动测量与修正方法,以机动经纬仪为研究对象,利用外置基准确定其基座平台的水平指北状态,通过位姿估计的方法实时解算基座平台测量状态相对水平指北状态的姿态晃动量,进而修正经纬仪观测误差.研制了机动经纬仪基座平台晃动测量与修正系统,并通过实验验证了系统对经纬仪观测角的修正精度,结果表明:1)系统姿态测量灵敏度不大于3″;2)系统修正误差随晃动幅度的增大而增大,且晃动幅度小于13′条件下,系统修正误差不大于16″.     

相机阵列测量二维应变场的高精度分析方法

近年来,用于变形测量的数字图像相关技术以其全场、非接触、大量程等优点,在很多领域的非接触大变形测量方面发挥了重要作用.但由于其应变分辨能力受到摄像机分辨率的限制,与电测应变技术相比,数字图像相关的应变测量精度仍然很低.要使数字图像相关测量技术在应变分辨能力上有数量级的突破,依赖硬件技术的进步,将是一个漫长的期待.为此,本文提出采用相机阵列并结合图像拼接技术实现高分辨率图像采集,以提高数字图像相关测量技术的应变分辨能力,从而达到高精度二维应变场的测量.为了实现高精度的图像拼接,本文还提出了一种基于相机标定的图像拼接方法,利用相机阵列的内外参数进行图像拼接不仅可以最大限度利用相机分辨率,还可以实现重叠区域的三维重构,有效地减小离面位移对二维应变场测量的影响.     

面向AFM的纳米目标快速重定位方法

原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）具有极高的观测分辨率和作业精度,在纳米材料表征与纳米器件组装方面发挥了不可替代的作用.AFM工作区域的选取依赖于光学显微镜,受可见光波波长的限制,光学显微镜的分辨率一般不超过200 nm,这导致光学显微镜无法有效辨识AFM观测目标样本所在的区域.当样本被移动或者更换AFM扫描探针引起样本与探针针尖的相对位置发生变化时,如何重新将AFM探针精确定位到原观测/操作区域具有非常大的挑战性.本文研究提出了一种新的免标记探针重定位方法,综合考虑了样本角度旋转与位置偏移两个因素,首先利用光学显微镜选取样本基底上易于识别的自然特征作为参照点,基于坐标变换原理实现微米级精度的探针盲定位,进而通过AFM扫描图像的匹配获得X-Y水平方向的位置偏差,通过修改AFM的扫描参数实现纳米目标的原位快速精确重定位.该方法的优点在于不需要在纳米目标样本操作区域上制作特殊的标记,操作过程简单、定位快速、定位范围较广且具有极高的重定位精度.对纳米小球、单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWCNTs）、纳米划痕等样本的重定位实验验证了该方法的实用性和高效性.     

太阳射电观测系统多通道变频电路一致性补偿方法与实现

地基太阳射电观测系统观测信号频带较宽,覆盖十米至毫米波段.限于ADC采样率和输入带宽,通常需要通过变频电路将射电信号分段变频后再进行模数转换.由于模拟器件的差异性,多通道变频电路存在幅相不一致的情况,造成通道间幅相误差,影响接收机测量精度,对极化测量影响尤为严重.本文通过测量太阳射电观测系统中变频电路各通道之间的幅频和相频偏差,计算出每个频点的补偿系数,存入太阳射电观测系统数字接收机的FPGA中.观测时,在FPGA中将ADC输入的数据进行FFT处理,每个通道各频点数据乘以相应补偿系数,削弱通道间不一致性,提升数据质量.选取山东大学槎山太阳射电观测站150～500 MHz太阳射电观测系统进行实验验证,经补偿后通道间幅度差降低至0.5 dBm以下,一些频点差值为0 dBm,相位一致性得到显著提升.实际应用表明,本方法为提升宽频带变频电路一致性提供了解决方案,为低频对周天线阵数字波束合成、同频段多天线相干测量的多通道一致性校正提供了有效参考.     

50 GHz宽带采样电路相位误差及其不确定度的精确鲁棒估计

在50GHz宽带采样示波器的内部采样电路SPICE仿真模型的基础上,分析了内部采样电路产生相位误差的原因;定义相位误差为NTN(nose-to-nose)校准方法所获得的采样电路冲击响应相位与电路真实冲击响应相位之间的偏差,并给出了相位误差的计算方法,得出在50GHz时仿真的默认采样电路模型的相位误差为7.03°;逐一改变模型的各个参数,研究这些参数与相位误差之间的关系,在各个参数不确定度均为10%的前提下,分别量化分析采样电路每个元件参数的变化对相位误差的影响;在此基础上按照使相位误差增大或减小的趋势同时改变全部元件参数,可获得相位误差的上限和下限.基于B类估计理论,将这些参数的影响加以综合,得出模型相位误差的不确定度为1.34°.这一结论在国际上尚属首次提出,可直接应用到大信号网络分析仪简称LSNAs(large signal network analyzers)的50GHz带宽的相位校准中,具有极高的实用价值.     

基于通信卫星的共视授时方法

中国区域定位系统(CAPS)通过租用多颗GEO通信卫星上的转发器资源,可在中国区域实现定位、授时和测速服务.本文提出一种基于通信卫星的共视授时方法,该方法利用CAPS系统的通信卫星以及测定轨站资源,通过导航电文发播基准站授时偏差模型参数,用户通过单向接收卫星信号结合从电文中解调计算得到授时偏差数据,改正单向授时结果,实现共视授时.该方法精度优于5 ns,是目前精度较高的实时授时方法.用户只需单向接收CAPS授时信号,不需要事后数据交换,可以实时获得服务.本文详细介绍了基于通信卫星的共视授时原理,并搭建试验系统,测试验证提出的CAPS共视授时性能.西安-喀什、西安-三亚两长基线的试验结果表明CAPS单星共视授时精度优于GPS单星共视结果, CAPS共视授时可为用户提供优于5 ns的高精度授时服务.