2019年, 第18卷, 第3期　刊出日期：2019-06-05

  

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综述
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  原子干涉重力测量技术研究进展及发展趋势

  李嘉华, 姜伯楠

  导航与控制. 2019, 18(3): 1-6. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.001

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  20世纪90年代至今,原子干涉重力测量技术以其高精度和鲁棒性等特点,逐渐成为绝对重力测量的重要技术之一。近年来,在国际重力比对活动中,原子干涉重力仪已有超越FG5-X的趋势,其在陆地、航海、航空、航天等领域均有成功的应用。介绍了原子干涉重力测量技术的工作原理、研究进展和小型化原子干涉重力仪的关键技术,并对其发展趋势进行了展望。
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  超导重力仪器:机遇与挑战

  刘向东, 刘习凯, 马东, 陈亮, 张宁

  导航与控制. 2019, 18(3): 7-13. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.002

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  超导重力仪器是利用超导电性构建的精密相对重力测量仪器,其工作于4.2K液氦温度,具有仪器固有噪声低、稳定性好的特点。阐述了超导重力仪和超导重力梯度仪两种仪器的工作原理与技术特征,简要介绍了作者所在课题组超导重力仪器研制的进展情况。分析了我国资源勘查用航空超导重力梯度仪研制所面临的机遇与挑战,提出了应对技术挑战的策略方法。
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  绝对重力仪隔振系统发展综述

  要佳敏, 伍康

  导航与控制. 2019, 18(3): 14-26. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.003

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  绝对重力仪是测量重力加速度的精密仪器,在计量学、地球物理、资源勘探、辅助导航等领域有着重要意义和广泛应用。目前,绝对重力仪的测量精度已经达到微伽(μGal,1μGal=1×10^-8m/s²)量级,而地面振动噪声严重影响着仪器的测量精度,垂直隔振系统的性能已成为限制绝对重力仪精度的瓶颈。对绝对重力仪所应用的超低频垂直隔振系统进行了详细回顾。现有的超低频垂直隔振系统可被分为被动式隔振和主动式隔振两大类。其中,被动式隔振系统主要基于零长弹簧结构,周期一般可超过15s。主动式隔振系统可以分为一级主动式隔振系统和二级主动式隔振系统,其结构形式包含弹簧振子结构、弹簧摆杆结构等。通过测量待隔振物体的位移、速度、加速度信号等信息并进行反馈控制,可实现超低本振频率,等效周期可超过15s,最长可超过100s。国内研究机构已经开展了多年的针对超低频垂直隔振系统的研究工作,并取得了阶段性的研究成果。通过改进,有望将超低频垂直隔振系统应用于国产绝对重力仪,显著提高仪器的整体性能。
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  海洋重力计量体系及方法

  胡若, 吴书清, 冯金扬, 王启宇, 李春剑

  导航与控制. 2019, 18(3): 27-34. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.004

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  重力加速度精确测量在国防军事、地质研究、资源勘探、地球物理、地震预报及计量科学等领域中均有着广泛的应用。重力加速度测量和量值传递均需以绝对重力仪为载体进行,而重力加速度测量的准确性需要通过量值溯源来保证。目前,我国在海洋绝对重力计量领域还处于空白阶段,而在建设海洋强国的进程中,海洋重力计量体系的构建显得尤为重要。以此为背景,基于当前已有的重力量值溯源及传递体系,结合我国当前海洋重力计量的需求,就海洋重力体系的建设及规划给出了若干设想和展望。
传感器技术
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  重力传感器参数双轴旋转调制标定方法及实验验证

  杨柏楠, 曹聚亮, 于瑞航, 蔡劭琨

  导航与控制. 2019, 18(3): 35-41. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.005

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  重力传感器参数的外场标定可充分发挥重力仪的测量潜力,提高重力测量的精度。利用全局可观性方法,对加速度计在静态条件下的参数可观性进行了分析,推导了静态多位置条件下加速度计参数可观的条件。根据理论推导的参数可观的条件,以双轴旋转重力仪为实验平台,设计了标定参数的编排方案。实验结果表明,该方法所测得的刻度因数对角线的最大偏差达到了10^-8量级,利用对角线上的刻度因子修正了三轴转台的标定结果。2800s纯惯导解算结果证明,使用外场标定参数与实验室三轴转台标定参数的纯惯性导航精度相当。
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  ZSGA-2型重力敏感器关键技术分析与试验验证

  朱学毅, 吴畏, 刘红光, 仇恺, 王智奇, 褚宁

  导航与控制. 2019, 18(3): 42-46. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.006

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  与国外主流海洋重力仪相比,国产海洋重力仪的分辨率低一个数量级,这制约了国产海洋重力仪的应用。针对国产海洋重力仪亟需提高分辨技术的需求,根据ZSGA-2型重力敏感器的工作原理,建立了弹性系统的力学模型,并开展了样机的静态性能测试。测试结果表明,经零位漂移和大地固体潮汐修正后的静态精度达到了0.03mGal,样机随重力仪进行楼层高差测量的重复性为0.15mGal。该型重力敏感器的分辨率已经达到了国外同类产品的技术水平,并具备了一定的动态适应性,为该型高分辨率零长弹簧重力敏感器开展高动态环境适应性技术研究奠定了坚实基础。
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  基于改进干扰观测器的稳定平台扰动抑制技术

  丁祝顺, 李洁, 蒋鸿翔, 来新晓

  导航与控制. 2019, 18(3): 47-51. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.007

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  航空遥感稳定平台可被应用于资源勘查、地理测绘等领域,可用于隔离载体飞行过程中相机的视轴抖动。由于装配等原因,稳定平台自身也会存在不平衡力矩、摩擦等干扰,这些干扰将影响稳定平台的视轴稳定精度。介绍了上述扰动对稳定平台的影响,并分析了这些扰动的形成原因。为了抑制这些扰动对稳定平台控制精度的影响,在基于传统干扰观测器的基础上,设计了改进型干扰观测器并将其加入到了稳定控制回路中,以形成扰动补偿控制,并对改进干扰观测器的扰动抑制效果进行了仿真分析。仿真结果表明,应用改进干扰观测器的稳定平台的扰动抑制效果明显优于传统PID控制算法,平台的稳定精度得到了进一步提高。
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  三轴磁通门传感器误差校正方法

  罗建刚, 李海兵, 刘静晓, 李海虎, 张峰

  导航与控制. 2019, 18(3): 52-58. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.008

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  三轴磁通门传感器在军事和民用领域应用广泛,但由于其存在三轴非正交、零偏和标度系数不一致的问题,导致其存在转向差,影响了其磁测精度。首先,分析了转向差的产生机理,建立了误差模型,通过最小二乘法估算出了误差参数,进而对磁测数据进行了转向差校正。仿真计算表明,该算法对误差参数估算准确,对磁场分量和总场模值均有较好的校正效果,证明了算法的有效性。在磁场测量实验中,利用该算法估算出了传感器的误差参数,并对实测磁场数据进行了校正。校正后,数据的转向差得到了明显抑制,提高了三轴磁通门传感器的测量精度。
仿真、测试与数据处理
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  重力和重力梯度基准图构建的多参量联合网格化

  袁园, 卢鹏羽, 刘杰, 罗伟东

  导航与控制. 2019, 18(3): 59-64. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.009

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  高精度、高分辨率的重力及重力梯度基准图是决定潜艇水下辅助导航定位精度的关键因素。我国海洋重力测量目前的主要比例尺为1:1000000,在局部区域可达1:500000,测线间隔分布相对稀疏。传统的网格化插值技术在远离测点位置时容易产生虚假异常,或异常特征发生偏移。构建了全张量重力梯度数据的6个梯度分量的联合网格化方法,利用各个梯度分量与引力位在波数域中的关系重构了引力位,实现了重力和重力梯度数据的再计算,从而实现了网格处理。通过模型数据和实测数据,验证了该方法在插值异常分辨率和位置准确性上具有优势。
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  捷联式航空重力测量系统的数据处理方法比较与分析

  修睿, 郭刚, 薛正兵, 李东明, 李海兵

  导航与控制. 2019, 18(3): 65-73. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.010

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  重力数据处理对获取高精度重力异常值有着重要作用,是重力测量的核心技术。重力仪在搭载运动载体进行重力测量时,载体的高频振动对重力测量数据和GPS数据均会产生不可避免的干扰,导致提取的重力异常粗值含有大量高频噪声。围绕重力数据的处理方法这一核心技术,介绍了FIR低通滤波、零相移滤波、标准Kalman滤波、正反Kalman滤波4种滤波方法的基本原理,运用这4种方法处理了SAG捷联式重力仪的某次实际飞行测量数据,比对了基于SINS/GPS组合导航和SINS/DGPS组合导航的重力测量数据处理结果。通过对本次试验重复测线内符合精度进行比对,验证了4种方法的可行性和优劣性,同时验证了SAG重力仪的测量精度。
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  一种新型的航空重力梯度测量数据调平方法

  孙勇, 周帅

  导航与控制. 2019, 18(3): 74-81. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.011

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  航空重力梯度测量的原始数据包含与测线方向呈强相关性的条带状噪声,该噪声会影响后续数据处理与解释的精度。首先,提出了一种针对重力梯度数据组合调平的方法,旨在去除条带状噪声的干扰。与低通滤波相比,组合调平可以保留更多的异常场细节。与传统的切割线调平相比,组合调平对切割线的依赖更小,可以适用于切割线稀疏的测量地区。最后,以加拿大Diavik地区的实测航空重力梯度数据为例,验证了组合调平方法的应用效果。
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  机枪胶泥缓冲器动力学仿真分析

  王虹琴, 苏铁熊, 马富康, 王东华, 王伟

  导航与控制. 2019, 18(3): 82-89. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.012

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  现代机枪普遍采用反后坐装置,机枪反后坐装置实际是一个缓冲器。设计一款新型粘弹性胶泥缓冲器来替代传统弹簧缓冲器,以提高机枪射击精度。在分析胶泥缓冲器后坐阻力构成的基础上,依据内弹道理论,运用Matlab软件进行内弹道计算,得到12.7mm机枪膛底合力的变化曲线。通过ADAMS软件建立虚拟样机模型,并对机枪的后坐复进过程进行动力学仿真分析,得到后坐复进过程中后坐质量运动的位移与时间、速度与时间、后坐阻力与时间之间的关系,并对其进行分析。用机枪射击精度和稳定性进行验证,胶泥缓冲器相比弹簧缓冲器可消耗更多能量,增长后坐行程,且射击精度更高,具有重要研究意义。
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  一种基于光纤捷联惯性系统大样本统计的参数有效期评估方法

  何小飞, 岳栋栋, 梁加红, 吴立秋

  导航与控制. 2019, 18(3): 90-96. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.013

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  标定参数有效期是武器系统在使用过程中的一项重要指标,传统方法使用单套惯组的多次测试数据来评估标定参数的有效期。但这种抽测方法存在样本较少、耗时长的缺点。为克服以上问题,提出了一种利用正态分布和卡方检验分析多套惯组的单次测试数据来评估标定参数有效期的方法,样本量大、置信度高。用此评估方法对75套光纤惯组单次的测试数据进行统计分析,结果表明标定参数满足有效期要求,证明了本评估技术的有效性、可行性。同时,还分析了部分标定参数误差的漂移机理,为今后设计出长期稳定性更高的光纤惯组提供了理论支撑。
组合导航
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  基于Newton迭代滚动时域估计的GPS/SINS紧组合导航技术

  伍星华, 战兴群, 刘铭

  导航与控制. 2019, 18(3): 97-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.014

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  随着智能设备的普及,使用手机为汽车进行导航越来越普遍。目前,手机内置的惯性测量单元成本低廉、导航精度低,且常使用松组合,而应用GPS/SINS紧组合导航技术可提高导航的精度及可用性。通过将基于Newton迭代的梯度下降算法与滚动时域估计相结合,手机内置GPS与陀螺加速度计构成紧组合导航系统,可提高在复杂环境中的导航精度。传统Kalman滤波方法未能充分考虑到紧组合导航系统的非线性特性,而滚动时域估计通过参考多时刻导航信息,可更有效地排除非线性因素对系统的干扰,并通过实验验证了此方法。实验结果表明,相比采用扩展Kalman滤波,基于Newton迭代时域估计算法的紧组合导航系统的导航位置精度及速度精度均获得了较大提高。
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  里程仪辅助捷联惯导系统的旋转式行进间对准方法

  江一夫, 师为建

  导航与控制. 2019, 18(3): 105-112. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.03.015

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  行进间对准可有效提高捷联惯导武器系统平台的快速反应能力和机动性能,但其对准精度受限于等效东向陀螺的零偏。鉴于惯性仪表整周旋转的积分平均作用能对消常值零偏,将旋转调制原理引入里程仪辅助捷联惯导的行进间对准以提升其精度,提出了“正反旋转+惯性系粗对准+回溯Kalman滤波精对准”的对准方案。相比于常规双重积分惯性系算法,该对准方案仅采用一次积分算法,其速度矢量信息采用滑动平均处理,较大程度地抑制了由里程增量微分导致的噪声误差,并实现了从非零速开始的行进间对准。对机抖激光陀螺固定数字滤波延时进行补偿后输出,以确保惯性仪表、转位测角和里程仪三者的同步。仿真结果表明,旋转式行进间对准能够将航向对准精度从1.1′(RMS)提高到0.54′(RMS)。同时,车载试验表明,旋转式行进间对准能够达到15min时间内1′(RMS)的航向对准性能。