相对姿态运动学和动力学方程及其在航天器姿态状态跟踪控制问题中的应用

论文第一次系统地研究并给出了适用于多种姿态参数的相对姿态运动学方程和相对动力学方程,所得结果为发展虚拟平台、相对导航和编队飞行提供了理论基础.论文中还给出了相对姿态运动学方程和相对动力学方程在航天器大角度机动控制问题中的应用,及相应的渐进稳定非线性姿态控制器设计.与其他文献仅用位置反馈来实现姿态机动的跟踪问题相比,本文用状态反馈,不仅实现了姿态机动跟踪控制,还得到了满意的跟踪过程动态品质.这对实现分布卫星具有平稳跟踪品质的相对指向控制,具有重要意义.     

面向移动机器人的拓扑地图自动生成

提出了一种在区域内自动提取拓扑地图的混合算法.该算法通过定义拓扑点和线.在对已知环境定位的基础上,利用腐蚀法计算出所知环境的骨骼路径,应用区别算法区分出各个组成路径的拓扑点的属性值.考虑到在单独使用腐蚀法的情况下,无法准确地得到机器人路径规划所需的关键驻点位置及方向等信息,提出了一种改进的图像骨骼化混合算法,并提出了实现完整拓扑地图的约束方法,对传统的路径规划方法做出了改进.仿真实验表明,该方法生成的拓扑地图克服了传统算法中的缺点,得到了较好的结果.     

北斗卫星整网集中式自主定轨算法研究

由于分布式定轨算法只能得到局部次优解,为进一步提升北斗卫星自主导航算法精度,对北斗卫星整网 集中式定轨算法在轨实现方法进行研究。设计了基于推广卡尔曼滤波算法的整网集中式定轨算法及其在轨实 现流程,并利用北斗卫星上的龙芯1E300 处理器对算法精度及工程可行性进行了评估。仿真结果表明,整网集 中式算法精度优于分布式导航算法。且通过在龙芯1E300 处理器上仿真验证可知,集中式导航算法已具备星 上使用条件。     

基于GPS-OEM板的测向接收机设计

采用GPS-OEM板与纯硬件母板电路相结合的方法,设计出一种简易而实用的GPS测向接收机.以实例的方式给出了母板电路设计、器件选择、数据提取等技术方案.其静态实验结果表明,2m基线模式在10min内可达到航向角0.10°的定向精度.     

CAPS接收机的设计与实现

通过对CAPS卫星（GEO卫星）资源和信号特征的分析,估算了接收机天线端信号功率,提出了CAPS粗码接收机C变L＋GPS套片的实现方案和CAPS双频精码接收机实现方案;设计了高灵敏度CAPS微带接收天线、粗码／精码射频前端和导航基带处理器,搭建了单频CAPS粗码接收机和双频CAPS精码接收机：在接收机硬件设计框架下,给出了软件处理流程,并对信号搜索、码环和载波环路算法、高度辅助算法、频率辅助下的双频频差测速技术和单频测速信源技术、CAPS时间改正算法等相关关键算法和关键技术进行了研究．最后,对定位误差进行分析和讨论．测试结果表明,CAPS粗码接收机静态平面定位精度20．5～24．6m;高程1．2-12．8m;测速精度0．13～0．30m／s．粗码接收机动态平面定位精度24．4m;高程3．0m;测速精度0．24m／s,定时精度200ns．CAPS精码接收机定位精度（1σ）南北5．0m,东西0．8m．     

中国区域定位系统信号体制

合理的信号体制对卫星导航系统实现导航、定位、测速、授时等功能和满足性能要求十分关键．从转发式卫星导航系统的技术特点和通信卫星的现有资源入手,研究卫星导航系统的载波特性、测距码性能、BOC调制技术、导航信息速率、纠错校验方法和信道资源分配等,得到CAPS采用C波段双频、复合测距码、粗码精码结合、BOC调制、分通道安排不同用户信息、与现有卫星导航系统兼容等结果．试验测试表明,目前的信号体制能够满足CAPS的要求．     

转发式卫星导航定位系统量测方程解

我国科学家发明了转发式卫星导航定位系统,并用这一原理研发成功利用商用通信卫星的中国区域定位系统-CAPS（China Area Positioning System）．CAPS类的转发式卫星导航定位系统用户导航定位解算量测模型不同于GPS类直播式卫星定位系统,其伪距测量的时间和频率基准不在卫星上,而是位于地面导航中心站．详细推导和建立了转发式卫星导航定位的3种量测模型,并统一用算子方程和优化模型表述．在此基础上,还深入研讨了转发式卫星定位量测特征方程的线性化求解方法和方程组的数目大于4时的最小二乘法求解方法．讨论了条件数对解精度的影响,从而提出了改善系数矩阵性态、正确度量右端激励量、以及选取解的迭代格式等提高解精度的方法,这些对转发式卫星导航定位系统和技术的发展有重要影响,对其他卫星导航定位系统也有一定的参考价值．     

CAPS导航信号的地面发射时间同步和载波频率控制

中国区域定位系统（CAPS）的卫星上不装载原子钟,CAPS导航信号在地面产生并能达到与装载高性能星上原子钟同样的效果．达到这个效果的主要手段是导航信号地面发射时间同步和载波频率控制调整．从导航信号形成的流程分析了各时间信号的同步要求,论述了CAPS地面导航信号的发射时间同步的理论和方法;根据高精度卫星测速信号源的条件,构建导航信号载波频率和频率链,提出通过对载波频率的实时控制预偏实现CAPS测速．并对该方法能够达到的精度进行了分析．试验测试结果表明,CAPS发射信号时间同步精度约为0.3ns,测速信源精度约为4cm／s．结果表明所提出的发射时间同步和频率控制理论与方法是可行的．     

立交桥三维虚拟场景建模与指定路径的实时漫游

城市道路交通网络的日益复杂,使得现有的二维电子地图无法直观地反映道路之间的交错关系,因此基于二维电子地图的车辆导航系统在复杂的道路交叉口的路径引导就显得无能为力．基于这一现状,提出了利用三维视景仿真建模软件（MultiGen Creator）和三维实时仿真软件（MultiGen Vega）对立交桥进行三维虚拟场景建模与指定路径的实时漫游．论述了场景建模和场景漫游的关键技术,并在VC＋＋6．0的环境下将仿真结果生成脱离该软件环境的可执行文件,为现有的基于二维电子地图的车辆导航系统提供一个交互式的、高质量的、高逼真的虚拟场景．     

GIS系统在矿井救援机器人中的设计与应用

区别于以往的矿井管理系统,矿井救援机器人自主导航GIS系统主要面向煤矿救援机器人,建立井下巷道空间数据库,实现图形与属性信息双向查询;构建井下巷道的几何网络分析模型,实现巷道网络节点信息查询和机器人运行最佳路径分析;建立巷道三维可视化模型,实现井下巷道三维场景模拟,研究空间信息三维可视化管理和分析方法。文中依据当前我国煤矿生产的现状和技术水平,研究一种适用于煤矿井下救援机器人运行的GIS系统。以满足机器人定位与导航的需要,实现煤矿灾后科学救援,最大限度地减少人员伤亡和财产损失,从而提高我国煤矿安全事故的救援水平。