2021年, 第20卷, 第2期　刊出日期：2021-04-05

  

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院士专栏
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  用于世界时测量的大型高精度光纤陀螺技术研究

  王巍, 冯文帅, 张首刚, 于海成, 李晶

  导航与控制. 2021, 20(2): 1-8. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.001

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  综述了空间飞行器的精密定轨对世界时测量的需求,并对现有大型激光陀螺、光纤陀螺测量世界时的现状与前景进行了分析,阐述了大型高精度光纤陀螺用于世界时测量需重点解决的关键技术,对实现的大型高精度光纤陀螺样机进行了试验验证,零偏不稳定性达到了5.2×10^-6(°)/h(1σ),同时对陀螺长期运行期间探测到的青海玛多地震情况进行了分析,最后对面向更高精度的世界时测量用大型光纤陀螺发展方向进行了展望。
综述
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  气室无磁加热结构研究进展与展望

  牛雪迪, 刘峰, 范文峰, 全伟

  导航与控制. 2021, 20(2): 9-17. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.002

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  碱金属气室是原子陀螺、原子磁强计和原子钟等原子测量仪器的核心部件。原子密度主要受加热温度的影响,高均匀性、高稳定性的气室加热结构是保证碱金属原子密度稳定的关键技术,对提升原子测量仪器输出信号的灵敏度至关重要。回顾了目前常用的碱金属气室加热方法,针对加热层、传热层、保温层等组件,梳理和总结了碱金属气室加热结构的发展方向和发展历程,并在此基础上展望了未来碱金属气室加热结构的发展趋势。
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  SERF原子磁力仪关键技术及应用

  李建军, 王学锋, 王巍, 邓意成

  导航与控制. 2021, 20(2): 18-23. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.003

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  无自旋交换弛豫磁力仪利用碱金属原子自旋交换弛豫消除效应实现弱磁场信息测量,具有超高灵敏度、小体积和低功耗等优点,已成为国内外精密磁场测量技术的研究热点之一。介绍了无自旋交换弛豫原子磁力仪的工作原理和国内外研究现状,重点讨论了长弛豫时间原子气室、原子气室无磁加热和高精密动态磁补偿等关键技术,并对无自旋交换弛豫原子磁力仪的发展趋势和应用前景进行了展望。
导航与制导
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  弹道导弹惯性测量系统精度指标自适应分配方法

  魏宗康, 唐文浩, 高荣荣, 周姣

  导航与控制. 2021, 20(2): 24-33. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.004

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  对弹道导弹惯性测量系统进行误差分析和精度指标分配是保证导航精度和武器作战性能的一项重要任务。针对目前惯性导航系统误差分析不全面、精度评估准则单一以及精度指标分配方法不准确的不足,提出了一种弹道导弹惯性测量系统精度指标自适应分配方法,能够按照误差项对精度的影响合理化分配精度指标。该方法首先分析了影响导航精度的所有误差项,并对比各误差项对导航精度的影响。其次,根据总体精度要求值和各误差源在落点精度中的占比,对每项误差系数进行自适应分配,通过逐次调整落点精度中占比最大误差项,最终实现精度指标要求下的最优误差系数指标。在精度指标自适应分配方法基础上,根据落点分布方向性,提出了一种横纵方向误差不等时的精度指标分配方法,更加突出方向性差异。由落点精度模拟可知,经自适应调整后,导弹落点的圆概率误差值(Circular Error Probable,CEP)和横纵向误差值均收敛到精度要求范围内,同时各项误差系数引起的落点精度占比更均匀,该方法为工程设计人员提供了设计依据与思路。
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  一种基于惯性辅助的卫星信息容错技术

  何婕, 陈善秋, 夏宇强

  导航与控制. 2021, 20(2): 34-40. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.005

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  对于机载捷联惯性卫星组合导航系统而言,当载机处于大动态或者其他卫星信号不连续情况时,卫星提供的速度、位置等量测信息可能会出现跳变,进而影响组合导航精度。介绍了惯性导航、卫星导航及其组合导航系统的基本原理和优缺点,分析了卫星量测不可避免出现跳点时组合导航系统Kalman滤波器的估计效果,对基于惯性辅助的卫星信息容错技术进行研究,提出了一种新的卫星信号野值剔除与滤波改进方法。新方法既保证了量测向量原有的统计特性,同时将野值带来的影响去除。半实物仿真分析结果表明,滤波器的估计稳定性得到明显提升,组合导航系统的速度和位置精度分别提升了约30%和35%。
控制理论与方法
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  基于TMS320F28075的永磁同步电机无位置传感器控制

  尹胜利, 王春秀

  导航与控制. 2021, 20(2): 41-46. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.006

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  永磁同步电机闭环运行需实时获取转子位置与速度信息,基于软件算法的无位置传感器控制方式能够有效提高可靠性、降低成本与体积。基于德州仪器推出的浮点型DSP产品TMS320F28075,设计了一种永磁同步电机矢量控制系统。为提高位置传感器故障容错能力,使用了一种非线性观测器,然后利用反正切法得到转子位置及速度信息,实现了永磁同步电机的无位置传感器控制。推导了观测器构造形式,介绍了观测器实现方法,并对一台750W电机进行了无位置传感器实验测试。实验结果表明,该观测器与霍尔传感器所得速度之间偏差在15rad/s以内,转速响应时间小于200ms,能够用于电机矢量控制。
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  光纤陀螺惯性平台的稳定回路控制

  徐白描, 魏宗康, 彭迪

  导航与控制. 2021, 20(2): 47-53. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.007

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  为了延长惯性平台使用寿命并提高其稳定精度,以光纤陀螺作为惯性平台的敏感元件,建立了平台系统稳定回路的数学模型。针对平台系统的性能指标要求,基于H_∞控制理论设计稳定回路控制器。仿真结果表明,该稳定回路具有较好的动态和稳态性能,可以满足系统的设计要求。同时,试验验证了该光纤陀螺惯性平台的系统性能,利用Allan方差法对光纤陀螺进行噪声信号分析,对陀螺各项噪声系数进行标定。结果表明,量化噪声是该光纤陀螺的主要噪声源。
传感器与执行机构
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  转位机构高温传递故障分析及改进优化

  邱东, 戴庆, 吕江涛, 刘建雄

  导航与控制. 2021, 20(2): 54-60. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.008

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  转位机构作为惯性测量单元旋转调制用构件,因其具有较复杂的机械传动结构,容易受到热、力的影响出现工作故障。针对转位机构在高温环境下的解锁故障问题,开展了结构热应力分析及机构优化改进,分析了某转位机构的高温解锁故障,进行了故障排查,在排除元器件、电路等故障后,将原因初步定位于机械传动结构在高温升环境下的应力问题。基于热力学原理分析了转位机构热应力的产生机理,同时根据工况环境和系统参数构建了热力学模型,使用有限元分析软件ANSYS进行仿真。仿真结果表明:在温度升高状况下,因各部件的热膨胀程度差异在部分运动副产生应力集中,实验证实了存在明显应力集中的运动副卡滞是导致机构高温解锁故障的原因。根据分析结果,分别从锁紧应力控制、解锁应力释放、应力状态快速判断三方面提出软件升级、装配工艺控制等措施,经过优化改进,转位机构在温度升高情况下的传递故障问题得到有效解决。
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  Y波导波形斜度误差对光纤陀螺小角速率性能的影响

  范梓涵, 于海成, 石海洋

  导航与控制. 2021, 20(2): 61-67. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.009

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  Y波导器件的调制非线性引起波形斜度误差,进而影响光纤陀螺标度因数性能,特别是小角速率下的测量精度。重点分析了由Y波导调制非线性引起的波形斜度误差及其对小角速率下光纤陀螺性能影响的机理,并通过抑制Y波导器件高阶非线性电光效应减小波形斜度误差。实验验证结果表明,减小波形斜度误差能够有效抑制小角速率与大角速率标度因数差异,可将光纤陀螺死区由0.3(°)/h减小到0.1(°)/h以内,进而提升光纤陀螺小角速率性能。
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  基于结构参数的硅谐振式加速度计频率特性分析

  郭雪涛, 李逸伦, 李鹏飞

  导航与控制. 2021, 20(2): 68-73. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.010

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  硅谐振式加速度计精度高、稳定性好、数字输出,且体积小、成本低、易于集成,是惯性加速度计未来的发展方向之一。根据谐振式加速度计的原理对其关键结构参数对谐振频率及加速度计灵敏度的影响进行了理论分析,并结合硅谐振式加速度计的具体工作情况与谐振梁的实际结构合理设置仿真边界条件,分别对一种硅谐振式加速度计谐振器的谐振梁宽度、谐振梁厚度、谐振梁长度以及双谐振梁间距进行仿真分析,从理论与仿真两个方面得到了关键结构参数对谐振频率与加速度灵敏度的影响规律,验证了仿真结果与理论推导结果的一致性与差异点,为后续高机械灵敏度结构设计提供参考依据。
材料与工艺
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  基于纳米颗粒润滑的单点金刚石刀具磨损抑制技术

  墨洪磊, 郑家洛, 兰洁, 陈肖, 许剑锋

  导航与控制. 2021, 20(2): 74-79. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.011

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  润滑是单点金刚石车削硬脆材料时的一个非常关键的因素,针对单点金刚石车床超精密加工单晶硅光学零件过程中刀具易磨损、加工精度一致性差等问题,提出了一种单点金刚石刀具磨损抑制技术,通过选用二硫化钼、石墨、铜、氧化铜等纳米颗粒作为润滑剂,在Ф25.4mm单晶硅平片上开展实验研究。结果表明,纳米颗粒的类型和质量分数对车削过程的润滑效果有明显的影响,使用质量分数为10%的纳米石墨颗粒作为润滑剂时,加工后零件表面质量最好。在车削加工5.067km后,单晶硅光学零件表面粗糙度优于25nm,刀具磨损量约5μm,该单点金刚石刀具磨损抑制技术是有效的。
测试与计量
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  核磁共振陀螺中静磁场强度对原子核自旋进动信号的影响

  范晓婷, 刘院省, 黄伟, 贺宇, 霍丽君

  导航与控制. 2021, 20(2): 80-86. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.012

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  原子核自旋磁矩Larmor进动达到稳态时,检测光携带出的信息中同时包含原子核自旋进动磁场信号和驱动磁场信号,且这两种磁场信号的幅值比例会随静磁场强度改变发生显著变化。从理论和实验两方面研究了检测信号中原子核自旋进动磁场与驱动磁场的比例关系,通过分析不同静磁场下的弛豫信号幅值变化,发现静磁场能够显著抑制驱动磁场对原子核自旋磁矩进动磁场信号的影响。结果表明,静磁场强度为7μT时,核自旋进动磁场幅值与驱动磁场幅值的比值提高了20倍,且静磁场越大,对驱动磁场的抑制效果越明显,有效提高了核磁共振陀螺信噪比。
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  航天器火工品阻值测试覆盖性探讨

  陈恒智, 程天然, 周垚, 仪德英

  导航与控制. 2021, 20(2): 87-94. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.013

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  航天器的火工品是用来解锁重要设备的工具,解锁失效意味着任务失败。火工起爆属于不可测项目,目前将火工通路阻值测试作为控制手段,保证火工品起爆成功,这种控制手段的有效性取决于测试是否可以覆盖起爆的全部通路。针对目前常见的火工阻值测试方法,通过火工起爆电路分析研究其测试覆盖性是否完整,并通过建模仿真分析在故障模式下测试是否可甄别出故障。研究结果表明,目前常用的单阻加综阻的测试方法能满足测试覆盖性要求,并可准确判别出故障的发生。
信息与人工智能
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  基于改进YOLOv3的船舶目标检测算法

  盛明伟, 李俊, 秦洪德, 崔壮, 武万琦

  导航与控制. 2021, 20(2): 95-109. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.014

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  针对传统检测算法受复杂多变的海域环境条件影响而出现的鲁棒性差、目标识别能力不高的问题,提出了一种基于改进YOLOv3的船舶目标检测算法。首先,对水面图像进行了mixup数据增强;其次,在Darknet-53主干网络对特征进行提取之后引入了注意力机制,将残差连接和金字塔特征融合进行了结合,并通过自底向上的路径增强、利用准确的低层定位信号增强了整个特征的层次;然后,使用CIOU作为损失函数加强边界框回归提高了检测精度;最后,在检测时加入了显著性检测,用以提高检测的精确度和召回率。实验结果表明,该算法在VOC2007数据集和自建数据集上都表现出了良好的效果,在VOC2007数据集上的mAP值最高为63.92%,在自建数据集上的AP值最高为91.41%,可以对船舶进行有效的检测识别。
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  基于原子加权稀疏表示的图像融合算法

  杨家俊, 陈昕, 丁祝顺

  导航与控制. 2021, 20(2): 110-120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.02.015

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  图像融合一直以来都是图像处理与机器视觉领域中极其重要的研究方向,而稀疏表示(Sparse Representation,SR)是当前应用最为广泛的图像表示理论之一。针对传统的基于稀疏表示的图像融合策略对超完备字典信息利用不足的问题,提出了基于原子加权稀疏表示(Atom-weighted Sparse Representation,AWSR)的图像融合算法。首先,利用超完备字典对源图像进行稀疏域分解,得到稀疏系数向量;然后,基于超完备字典的信息表达特性构造权向量,并对稀疏系数向量进行加权;最后,基于原子加权融合系数,并结合稀疏系数向量及超完备字典完成源图像的融合。基于六种融合图像质量客观评价指标的对比实验证明了本文方法的融合质量优于传统的基于稀疏表示的图像融合算法,验证了该加权策略能够有效提升图像融合系统的抗噪性和鲁棒性。