2020年, 第19卷, 第6期　刊出日期：2020-12-05

  

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综述
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  浅谈大数据在精密惯性仪表中的应用

  陈晓磊, 陈效真, 张福礼, 杨文超, 严小军

  导航与控制. 2020, 19(6): 1-12. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.001

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  精密惯性仪表被广泛应用于地面武器、飞机、舰船、航天器中,其作用是敏感、测量载体加速度和姿态等信息,确定载体的运动轨迹参数,实现对载体的精密导航、定向定位,在武器装备中具有非常重要的地位。首先从构成精密惯性仪表的精密微细结构出发,对大数据在制造过程中存在的问题进行了分析。通过对典型惯性产品装配过程的分析,总结了惯性仪表在装配过程中对产品精度和性能产生影响的几类微观效应;其次,通过分析“熵”在我国制造领域中的应用,提出了“熵”理论在惯性仪表装配过程中的应用思路;最后,结合上述分析结果,以三维点云数字化虚拟装配技术在惯性仪表中的应用和“熵”在惯性仪表故障识别与误差建模方向上的应用为例,给出了具体的研究内容、技术流程和研究结果。
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  石英玻璃机械品质因数的研究现状与展望

  张晓强, 宋学富, 孙元成, 杜秀蓉, 聂兰舰, 祖成奎

  导航与控制. 2020, 19(6): 13-20. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.002

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  机械品质因数是石英玻璃关键的力学性能指标之一,反映了材料在振动过程中机械能量损耗的大小,直接影响着器件或系统的灵敏度和精度。对国内外石英玻璃机械品质因数的研究现状进行了综述,从计算、检测、影响因素和处理工艺等方面进行了介绍与分析,阐述了石英玻璃机械品质因数的特性,并对其未来研究方向做出了展望。
导航与制导
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  主惯导速度误差短周期波动对子惯导传递对准影响分析

  杨靖宝, 邓芳瑾, 杨松普, 王琳

  导航与控制. 2020, 19(6): 21-26. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.003

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  随着激光陀螺技术的发展,旋转调制式激光陀螺惯性导航系统逐渐成为舰载主惯导系统,舰载机、舰载武器系统需要旋转调制式激光惯导系统提供的姿态、速度和位置信息进行对准,即主子惯导的传递对准。由于旋转调制式系统中的姿态、速度和位置具有随旋转的短周期波动问题,势必会影响对准时间较短的子惯导对准精度。为了保证传递对准的快速性,一般采用速度匹配方法。定量分析了主子惯导传递对准过程中主惯导速度误差短周期波动对子惯导系统对准精度的影响,首先进行了数字仿真,之后利用双轴激光陀螺惯导、纯捷联光纤陀螺惯导数据进行了半实物仿真,验证了主惯导速度误差的一次项系数与子惯导初始对准水平姿态误差呈线性关系,二次项系数与子惯导初始对准航向误差呈线性关系。
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  北斗单点定位的误差补偿方法

  张衡衡, 潘卫军, 殷浩然, 刘涛, 徐斌

  导航与控制. 2020, 19(6): 27-34. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.004

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  北斗是我国自主研制的卫星导航定位系统,当前北斗的单点定位精度优于10m。为提高该系统的定位精度,必须对由其误差源引起的定位误差进行修正。基于对北斗卫星导航系统的组成、定位算法及定位误差的认识,对导航系统定位中星历误差、电离层误差和对流层误差进行了深入分析,提出了减小星历误差的曲面模型、减小电离层误差的双频组合消电离层模型和减小对流层误差的高精度区域融合模型的单点定位误差补偿方法,并应用Matlab软件对修正模型方法进行仿真计算。对比修正前后的定位结果,修正后的定位误差更小,证明了所提出的修正模型是可行的。
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  机抖激光陀螺捷联系统动力学建模及结构动特性设计方法

  赵欣, 魏伟, 张杰

  导航与控制. 2020, 19(6): 35-43. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.005

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  机抖激光陀螺捷联系统普遍采用抖频偏频技术消除闭锁效应的影响,这使得激光惯导成为自带激励源的动力学系统,动力学系统结构参数的设计将影响陀螺抖动效率和陀螺测量精度。在陀螺抖动驱动力条件下,建立了包含激光惯导箱体、惯性测量本体、陀螺、减振器、抖轮在内的较为完整的动力学模型,给出了该模型的解答过程和Matlab仿真计算结果,讨论了不同结构参数对抖动效率及惯导精度的影响规律,并在此基础上提出了激光惯导结构基于动特性设计的原则和方法。经验证,该方法能够有效指导结构转动惯量等参数设计,提高了设计质量,有效避免了激光惯导由结构设计不足而导致的动力学问题。
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  GPS移动基准站差分定位算法

  周金龙, 孙永荣, 吴玲, 曾庆化

  导航与控制. 2020, 19(6): 44-49. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.006

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  相对导航定位技术在空中加油任务中起着至关重要的引导作用。针对传统差分定位模式受限于基准站位置固定、覆盖范围有限等问题,研究了一种无固定基准站差分定位方案,实现了短基线高精度动态相对定位。该方案首先基于实时伪距单点定位求得移动站近似坐标,结合载波信息进行站间差分,求得单差模糊度浮点解及更高精度的移动站坐标。之后,再利用双差观测方程,并采用扩展Kalman滤波(Extended Kalman Filtering,EKF)算法获得移动站精确坐标和双差模糊度浮点解。最后,采用LAMBDA算法进行模糊度快速固定,获得最终定位结果。实验结果表明,所采用的无固定基准站差分定位方案使得基线长度均方差小于5cm,达到了较高的动态相对定位精度。
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  弹载合成孔径雷达自适应重频分析与设计

  蒋运辉, 常军

  导航与控制. 2020, 19(6): 50-57. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.007

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  弹载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)的目标距离、视线角由于高速逼近目标而快速变化,这导致传统的固定脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)(简称重频)波形难以兼顾弹载SAR雷达在成像各方面的约束条件,故需要根据当前弹体运动和弹目关系变化情况实时计算重频。详细分析了影响重频选择的各项因素,包括避免距离模糊、方位模糊、高度杂波、发射遮挡影响及SAR成像分辨率、系统相参性要求等影响因素,并设计了自适应重频计算的工作流程。某SAR雷达系统实验表明,该设计能够在实际飞行弹道条件下根据实际弹目关系自适应调整脉冲重复频率,从而更好地实现SAR雷达系统的工作性能,有效解决了固定重频波形不能适应弹载SAR工作条件的难题。
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  基于奇异值分解的组合导航可观测度计算

  张丹, 裴忠海, 余薛浩

  导航与控制. 2020, 19(6): 58-67. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.008

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  以捷联惯组为主惯导的组合导航系统具有短时定位精度高、可靠性强等优点,但其依然存在长时间导航精度不高、运算量大、组合效率不高等问题。为更好地完善组合导航系统的误差补偿和抑制技术,对SINS/DVL组合导航系统的可观测性能进行了研究。在分段定常系统(Piece-wise Constant System,PWCS)的可观测性分析方法及基于奇异值分解的系统状态可观测度分析方法基础上,结合可观测性矩阵的遗传特性,提出了一种简化的状态量可观测性分析方法,并对该方法进行了理论仿真。为方便比较状态量的可观测程度,对各状态的可观测度进行了归一化处理。最后,通过湖面跑船实验设计了不同的航迹机动方式,计算了关键导航参数的可观测性能。实验证明,该方法可以实时计算组合导航参数的可观测度,根据可观测度设计的航迹可以有效提高导航精度,定位精度可提高1个量级,收敛速度也获得了明显提高。
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  基于分数阶微积分理论的最优导引律设计

  顾凯, 金岳, 刘新宇

  导航与控制. 2020, 19(6): 68-73. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.009

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  随着技术的发展及战场环境的日益复杂化,拦截机动目标的需求越来越大。然而传统制导律在拦截机动目标时存在制导精度差、末端过载突变的问题,故提出了一种基于分数阶微积分理论的最优导引律。首先,介绍了分数阶微积分的定义、性质及其数字实现方法;然后,分析了弹目相对运动关系,通过分数阶变阶次建模和最优控制理论推导出了分数阶导引律;最后,仿真结果表明:与传统比例导引法相比,所设计的分数阶最优导引律能够保持比例导引法良好的追踪性能且拦截时间能够缩短2s,末端过载值趋近于0。该方法解决了传统比例导引法在末端由视线角速率发散而导致的末端过载突变问题。
传感器与执行机构
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  基于角增量和矢量模值观测的光纤陀螺温度漂移参数分段估计

  崔加瑞, 吴文启, 何晓峰

  导航与控制. 2020, 19(6): 74-82. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.010

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  光纤陀螺捷联惯导系统被广泛应用于航空、航天、航海及陆地车辆定位定向等领域,对光纤陀螺输出误差进行补偿是提高导航精度的有效手段。温度漂移和常值零偏是影响光纤陀螺精度的两个主要误差来源,对角增量输出式三轴光纤陀螺捷联惯导系统的陀螺温度漂移及常值零偏误差参数估计方法进行了研究。针对光纤陀螺的温度漂移,提出了一种基于角增量的分段最小二乘估计方法,根据不同温度区间的特征使用低阶模型即可进行误差建模,估计结果相比整体估计方法更加精确,同时推导了各个温度段参数的边界条件,保证了温度漂移模型在不同温变速率条件下的连续性。针对三轴陀螺输出中包含的常值零偏,提出了一种基于地球自转角速度矢量模值观测的方法,可在不依赖高精度转台等外部基准设备的条件下对光纤陀螺零偏进行估计,可适用于高纬度地区及极区环境下的外场标定。通过温箱静置升温实验,对光纤陀螺惯导系统三轴角增量陀螺进行了温度漂移和零偏的估计与补偿,验证了提出方法的有效性。
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  二维驱动机构的机电一体化谐振问题探讨

  黎枭, 魏新生, 杨杰, 高雪松, 周华俊

  导航与控制. 2020, 19(6): 83-89. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.011

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  谐振是机电一体化的普通现象,致其产生的因素有很多,其中最为常见的是电机与负载之间的力矩传递。谐振的发生不仅会损害本体,还会对安装平台造成不良影响,甚至恶化平台上其他仪器的性能。以二维驱动机构的机电一体化谐振问题为例,通过高频(100kHz)采样伺服电机相电流及角度传感器的信号,分析了电机三相电流和角度传感器的频谱成份,提出采用双反馈控制和notch数字滤波器改变系统的频谱特性,从而消除机械谐振,提高伺服跟踪精度,使之满足工程型号的要求。此方法对解决机电一体化的谐振问题具有重要意义。
测试与计量
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  基于Shupe系数的光纤陀螺光纤环评价方法

  刘元元, 李晶, 王利超, 于海成

  导航与控制. 2020, 19(6): 90-97. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.012

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  针对当前缺乏有效的光纤环温度性能评价方法确保光纤陀螺整表全温精度的问题,搭建了光纤环温度测试系统,提出了一种光纤环评价方法。该方法不但能够评价光纤环的温度性能,而且能够反映陀螺整表的全温精度。根据测试结果,分析了基于Shupe系数的线性误差和线性补偿后的非线性误差。其中,前者代表了光纤环的温度灵敏度,后者代表了光纤环的可补偿程度,两者共同构成了光纤环的评价指标。利用该测试系统测试了数十只同一尺寸的光纤环,非线性误差小于0.022(°)/h,补偿后整表的全温零偏稳定性小于等于0.01(°)/h(-40℃~+60℃,1℃/min),为后续高精度光纤陀螺的生产提供了一定的指导。
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  沉积参数对磁控溅射镀金膜膜层残余应力与微观形貌的影响

  刘明智, 梁康, 熊巍, 张国锐, 杨洋

  导航与控制. 2020, 19(6): 98-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.013

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  残余应力直接影响镀膜膜层的稳定性与可靠性。为减小薄膜的残余应力,提高镀膜膜层的可靠性,在不同溅射气压、不同镀膜温度条件下,在熔融石英基底上进行了直流磁控溅射镀金膜试验。通过基片曲率法得到薄膜的残余应力,采用激光平面干涉仪对基片的形变进行测试,对不同工艺参数下膜层的残余应力进行分析,并采用扫描电镜对膜层的表面形貌进行测试。通过试验可知,磁控溅射镀膜膜层的残余应力随镀膜温度的升高而升高,在一定工作气压范围内(0.2Pa~0.6Pa)随溅射气压的增加而降低。电镜测试结果表明,常温镀膜晶粒的尺寸约为30nm,180℃镀膜晶粒的尺寸增长至近100nm。镀膜温度越高,薄膜的微观结构越致密。
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  基于应力强度干涉理论和薄弱环节分析的光子晶体光纤陀螺寿命评估

  庞立新, 王颂邦

  导航与控制. 2020, 19(6): 105-113. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.014

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  在空间飞行环境中,航天器承受着各种环境的作用,而每种环境因素都在一定程度上影响着航天器的工作寿命。光子晶体光纤是一种新型光纤,其比传统保偏光纤更耐辐照,是长寿命光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)的首选,可以满足长寿命卫星的应用需要。将光纤陀螺特征寿命定义为强度,将热、辐照和振动等环境因素定义为应力,运用应力强度分析理论,采用最坏情况分析方法,分析了在常见应力联合作用下光纤陀螺的薄弱环节,评估了光纤陀螺的在轨工作寿命,验证了光子晶体光纤陀螺在某长寿命通信卫星上的适应性。分析结果表明,热和辐照是影响光子晶体光纤陀螺的重要因素。研究结论可用于有针对性地进行改进设计,为长寿命高可靠卫星提供技术支撑,具有显著意义。
信息与人工智能
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  智慧温室群远程监控系统通信设计

  万云, 陈达美, 杨大奎

  导航与控制. 2020, 19(6): 114-120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.06.015

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  温室监控系统是对温室环境中温度、湿度、光照度等环境因子实施监测与调控的农业设施,可确保农作物获得最适宜的生长发育环境。针对现有温室监控系统在通信上存在距离受限、组网复杂、能耗高且基本仅能实现单个温室控制的问题,设计了一种基于LoRa和NB-IoT相结合的智慧温室群远程监控系统通信模式。该模式以STM32F103C8T6单片机为核心控制器件,采用ATK-LoRa SX1278和NB-IoT模块自组无线通信网实现数据的远程交互。测试结果表明:采用该通信模式可实现温室群中各温室间距离在2km范围内的数据采集、处理和传输,其通信距离远、功耗低,数据传输可靠性符合现代化农业物联网的需求。