2018年, 第17卷, 第6期　刊出日期：2018-12-05

  

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综述与动态
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  面向地球物理应用的高精度MEMS惯性传感器

  王秋, 刘骅锋, 涂良成

  导航与控制. 2018, 17(6): 1-9. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.001

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  微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)惯性传感器具有体积小、质量小、成本低等优势,已经在消费电子、工业、医疗、军事、航空航天等领域得到广泛应用。随着精度的不断提高,近年来MEMS惯性传感器在地球物理领域已经开始崭露头角,但是其在该领域中的具体应用需求还不太明确。因此,系统地分析了地球物理领域对高精度惯性传感器的应用需求,主要包括:自然灾害监测中的地震监测、固体潮和火山活动监测。高精度惯性传感器在自然资源勘探领域中的应用主要涉及地球物理勘探方法(重、磁、电、震)中的重力和地震物探方法,以及在钻井工程监测等领域的重力辅助导航中用于局部重力场的精密测量等。针对上述的应用领域需求,总结了已经应用于和未来可用于地球物理领域的高精度MEMS惯性传感器的国内外研究现状,并得出了如下结论:高精度MEMS惯性传感器在极端环境、低成本、高密度的地球物理应用环境下具有极大的优势,并有逐渐替代现有传统地球物理仪器的趋势。
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  芯片原子钟的工作原理及其研究进展

  李松松, 张奕, 田原, 陈杰华

  导航与控制. 2018, 17(6): 10-15. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.002

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  作为导航设备的重要部件,芯片原子钟可作为战术导弹、卫星接收机、小型无人机等所用导航设备的时钟源,也可与陀螺仪和加速度计组合实现微型定位、导航与授时。介绍了相干布局囚禁(Coherent Population Trapping, CPT)现象,以及芯片原子钟的发展历程,阐述了CPT实现方案的缺点(产生极化暗态、降低原子利用率),并给出了优化方案。此外,分析了微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS)加工工艺等用于芯片原子钟制造的关键技术,并对芯片原子钟的发展趋势进行了展望。
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  基于模态局部化效应的微机械加速度计研究进展

  康昊, 常洪龙

  导航与控制. 2018, 17(6): 16-22. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.003

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  模态局部化效应是安德森局部化在结构动力学中的一种具体表现形式,其利用振动模态的能量局部集中效应实现了灵敏度的大幅度提高。因此,模态局部化效应近年来逐渐被用于研制高精度的谐振式传感器。介绍了模态局部化效应的基本原理及发展历程,及其在各类谐振式传感器中的应用及研究现状,包括质量传感器、电荷传感器、位移传感器以及刚度传感器。最后,着重介绍了模态局部化效应在惯性敏感器件加速度计中的应用及研究现状。
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  原子磁力仪的空间应用及发展趋势

  寇军, 康海霞, 杨然, 桑建芝, 王学锋

  导航与控制. 2018, 17(6): 23-27. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.004

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  在太空探索中,磁场测量为很多重要的科学研究提供了数据支撑。空间探测器和磁测卫星均多次采用原子磁力仪作为磁场测量的主载荷,原子磁力仪在空间磁场测量中发挥着不可替代的作用。回顾了用于空间磁场测量的原子磁力仪的发展历程,总结了不同种类原子磁力仪的技术特点,分析了空间应用原子磁力仪载荷的发展趋势。
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  惯性微系统封装集成技术研究进展

  李男男, 邢朝洋

  导航与控制. 2018, 17(6): 28-34. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.005

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  随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)的器件圆片级封装技术、垂直互连转接板技术、新键合工艺技术等技术研究的出现,惯性微系统正在朝着三维封装集成架构发展,以满足微电子技术更高集成度、更小体积、更低功耗、更低成本的发展需求。介绍了MEMS惯性器件和MEMS惯性微系统三维集成技术,硅通孔(Through Silicon Via,TSV)三维互连技术和倒装芯片技术为惯性MEMS微系统三维集成一体化提供了设计空间,有效地降低了惯性MEMS三维集成模块的体积、质量,提高了集成度,符合未来惯性MEMS三维集成多功能融合趋势的需求。
组合导航
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  基于DDF2的RTS平滑方法在机载分布式POS中的应用

  邹思远, 李建利, 曲春宇

  导航与控制. 2018, 17(6): 35-41. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.006

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  机载分布式POS是一种基于惯性/卫星组合技术的柔性基线、多节点、高精度时空测量系统,是多任务航空遥感载荷高精度成像的关键装置。为了解决机载分布式POS因柔性基线效应导致的大失准角非线性问题,提出了将基于二阶插值微分滤波(Second-order Divided Difference Filter,DDF2)的RTS(Rauch Tung Striebel,RTS)平滑方法应用于机载分布式POS。首先,针对机载分布式POS的大失准角非线性问题,建立了非线性系统状态模型和量测模型。其次,基于DDF2提出了分布式POS传递对准RTS平滑估计方法,以获取更高精度的运动参数。最后,通过半物理车载实验验证了相比传统方法,此方法的航向测量误差由0.0060°降至0.0041°,精度提高了31.67%。
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  车载高精度里程计辅助捷联惯性组合导航系统设计与实验

  高福隆, 石然, 刘洋, 幸伟, 张铭涛

  导航与控制. 2018, 17(6): 42-47. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.007

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  GPS导航系统虽然精度高、成本低,但易受到工作环境的限制。针对特殊应用环境(如煤矿)提出了一种可工作于复杂环境下的高精度里程计组合导航系统。经过分析、仿真、实验验证,结果表明在无GNSS信号的情况下,所设计的里程计组合导航系统可完成长时间(>1h)、长距离(300m)且高精度(相对误差仅为0.526%)的导航。
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  北斗导航接收机频率稳定度传递算法

  周颖, 李荣冰, 刘建业, 韩志凤

  导航与控制. 2018, 17(6): 48-53. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.008

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  为了提高北斗导航接收机的灵敏度,提升其弱信号跟踪能力,通常需要利用长时间的相干积分来提高环路信噪比。但是,当相干积分时间加长到一定程度时,环路性能反而有所下降,信噪比提升也不能达到理论值。针对由剩余频率误差和晶振误差引起的相干积分能量损失问题,主要研究了频率偏差对环路跟踪性能的影响,并提出了利用频率稳定度传递策略辅助弱信号跟踪的方法,解决了北斗导航接收机弱信号跟踪性能提升的问题,最大程度地改善了相干积分的效果,实现了对弱信号的跟踪。利用软件接收机平台对提出的频率稳定度传递算法进行验证,仿真结果表明该算法可使环路信噪比提升4dB ~5dB,充分说明了其可行性及有效性。
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  一种导弹捷联惯导/地磁/雷达高度表组合导航方法

  靳宇航, 王海涌, 刘涛, 贾平会, 王永海

  导航与控制. 2018, 17(6): 54-60. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.009

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  基于雷达高度表和磁强计的测量信息,提出一种弹道导弹捷联惯导/地磁/雷达高度表组合导航方法。以磁强计测量值与磁场模型的磁场强度值之差和高度表与惯导解算高度之差作为量测,只用一个观测表达式即可同时包含载体的姿态及位置信息。引入状态反馈,利用混合校正的Kalman滤波得到系统导航信息的最优估计。仿真结果表明,该算法能有效抑制捷联解算误差的发散,当磁强计精度为100nT,雷达高度表精度为50m时,仿真1000s后姿态精度优于20′,定位精度为2.68 km。该导航方法自主性高,精度较高,具有一定工程应用价值。
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  基于改进补零/差分的北斗弱信号捕获算法

  韩志凤, 刘建业, 李荣冰, 王翌

  导航与控制. 2018, 17(6): 61-66. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.010

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  北斗信号二次编码调制了速率为1kbps的NH码,频繁的比特跳变导致传统捕获算法的效果受到抑制,并且限制了积分时间的增长。为了实现北斗弱信号的捕获,提出了一种适合北斗弱信号的捕获算法,将补零算法和差分相干积分算法相结合并进行了优化设计。对补零算法和差分相干积分算法进行了改进,将差分延迟时间调整为20ms,有效消除了NH码的影响,并增加了积分时间,提高了信噪比。采用Monte Carlo仿真测试了在载噪比为20dBHz~38dBHz的条件下,此算法与传统算法的检测性能。结果表明,相比传统算法,此算法的捕获灵敏度提高了约10dB。此算法能够有效消除北斗NH码相位变化对信号捕获的影响,并提高信噪比,适用于弱信号条件下的北斗信号捕获。
控制系统技术
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  带有冗余度的新型连续地月载荷转移系统动力学与能量分析

  陈振朋, 李广华, 管玮乔

  导航与控制. 2018, 17(6): 67-72. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.011

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  传统的连续地月载荷转移系统(CCPTS)存在可靠性低、转移效率差的问题。设计了带有冗余度的新型连续地月载荷转移系统(N-CCPTS),其带有的一套冗余抓捕机构不但提高了系统的可靠性,而且可以运载载荷,将转移效率提高了1倍。计算和仿真结果表明,冗余机构对系统参数变化规律的影响是小量;在转移相同质量的载荷时,当椭圆轨道远地点的半径足够大时,N-CCPTS相比CCPTS更加节省能量。N-CCPTS可以为高效率的连续地月物资转移提供一种更加可行的方案。
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  一种圆锥扫描红外地球敏感器电机恒速控制系统

  董超, 王舒雁, 涂智军

  导航与控制. 2018, 17(6): 73-78. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.012

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  圆锥扫描红外地球敏感器通过其扫描机构的旋转获得地平穿越信息,来进行卫星对地姿态测量。扫描电机采用无刷直流电机(BLDCM),电机转速的波动性会影响圆锥扫描红外地球敏感器的精度。与传统电机控制电路进行对比,采用了基于FPGA的无刷直流电机恒速控制系统,提出了一种双路PID控制算法。通过仿真和实验,该控制系统实现了对电机转速高精度和高可靠性的控制,抑制了电机转速的波动性。
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  小波包与PNN在抖动控制电路故障诊断中的应用

  李艺琳, 张林, 龙捷, 梁浩

  导航与控制. 2018, 17(6): 79-85. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.013

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  抖动控制电路是激光陀螺仪的重要组成部分,电路一旦发生故障,激光陀螺仪的输出信息也会随之出现错误。因此,有必要对抖动控制电路的故障诊断技术进行研究。基于不同故障模式下各频段能量的改变,提出了基于小波包频带能量谱和概率神经网络(PNN)的故障诊断方法。采用小波包分解提取各频段的能量信号,将其作为故障特征向量,利用PNN强大的非线性映射能力,以PNN作为分类器,对实验样本进行学习和测试。实验结果证明,所提方法可以较高精度识别出实验中的12种故障模式。
测试与仿真
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  基于MEMS陀螺的风洞模型水平姿态动态测量与精度评估

  张施豪, 吴文启, 何晓峰, 唐康华

  导航与控制. 2018, 17(6): 86-93. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.014

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  风洞实验对模型的水平姿态实时动态测量精度的要求不断提高,微小型飞行器模型、高精度的激光陀螺、光纤陀螺惯性测量单元往往在体积、质量方面受到限制,而单一的MEMS系统在水平姿态测量精度方面通常难以达到要求。采用高精度石英挠性加速度计替代MEMS加速度计,与MEMS陀螺进行组合测量。针对加速度计I/F转换脉冲量化及陀螺漂移对动态测量精度的影响,提出了一种基于速度观测Kalman滤波的水平姿态动态测量算法,以提高风洞实验中模型水平姿态的测量精度。提出了在三轴飞行模拟转台上,利用高精度激光陀螺捷联惯导系统的测量结果作为基准进行动态精度评估的方法,解决了安装误差、时间同步等因素对评估精度的影响。通过与其他几种惯性水平姿态测量方法进行精度对比,验证了该算法的技术优势。
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  核磁共振陀螺原子核自旋进动的建模与仿真

  陈晓格, 舒强, 朱明智, 汪宝旭

  导航与控制. 2018, 17(6): 94-101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.015

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  针对⁸⁷Rb-¹²⁹Xe核磁共振陀螺中原子核的自旋进动,基于核磁共振Bloch方程,给出了Xe原子核自旋进动模型,详细分析了横向激励磁场的相位和幅值对Xe原子宏观磁矩进动的影响,以及实现稳态进动的条件。建立了Xe原子宏观磁矩进动的仿真模型,对激励磁场反馈控制、陀螺角位移信号相位解调进行了仿真。分析和仿真结果表明,当载体系旋转时,陀螺角位移线性调制Xe原子宏观磁矩水平分量的进动相位,为了维持磁共振,横向激励磁场相位应与宏观磁矩y向分量的进动相位保持一致;模型能够准确地实现对陀螺载体坐标系旋转位移的观测。
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  基于卫星推进剂剩余量测量的热容法数值仿真

  郭蕾, 李永, 焦焱, 靳忠涛, 李代伟

  导航与控制. 2018, 17(6): 102-107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.016

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  由于具有主动热源的输入,与传统PVT方法相比,热容法在卫星寿命末期具有较高的推进剂剩余量测量精度。为了获得地面条件下准确的热分析模型,对某型号1407L网式表面张力贮箱在地面条件下应用热容法进行数值仿真。通过数据分析,并与地面试验结果进行比对,验证了热分析模型的有效性,获得了地面环境下准确的热分析模型,为热容法的后续深入研究和在轨应用提供了参考。
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  基于气动分离技术的弹丸弹托分离仿真

  贾陆阳, 郝秀平, 陈一栋, 姜文健

  导航与控制. 2018, 17(6): 108-112. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2018.06.017

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  为了研究气动分离技术使弹丸弹托分离的情况,对其进行了模拟仿真研究。采用气动分离技术使弹丸弹托分离,基于气体动力学与摩擦力学理论,分别建立了弹托绕流模型与弹丸弹托气动分离模型。使用Fluent进行绕流仿真,得到了不同速度下弹托分离前后状态下的阻力系数,再用Simulink对54式12.7mm穿甲燃烧弹的弹丸和弹托进行分离仿真,得到了弹丸弹托分离过程的特征结果。结果表明,利用气动分离技术可以使弹托和弹丸较好地分离。上述研究为弹丸和弹托的研发、使用提供了有益的参考。