2021年, 第20卷, 第3期　刊出日期：2021-06-05

  

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综述
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  国外光力学加速度计研究现状及发展趋势

  刘骅锋, 焦世民, 涂良成

  导航与控制. 2021, 20(3): 1-8. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.001

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  加速度计在消费电子、工业监测、惯性导航和资源勘探等领域有着广泛的应用,与传统的加速度计相比,近年来出现的光力学加速度计具有精度高和可微型化等优势,其涉及光力耦合效应、微腔光子学和微纳加工技术等多个领域,是下一代高精度加速度计发展方向之一。详细介绍了光阱悬浮式和光学微腔式两种原理的多种类型光力学加速度计,分析了各种光力学加速度计的工作原理、传感方式及其优缺点,总结了国外光力学加速度计的研究现状及未来发展趋势,为我国发展光力学加速度计相关研究提供参考。
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  多源融合导航系统的因子图算法综述

  罗子岩, 陈帅, 王国栋, 赵海飞, 马永犇

  导航与控制. 2021, 20(3): 9-16. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.002

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  由于卫星导航系统不能穿透物理遮蔽物且容易受到干扰以及惯性导航系统误差积累容易发散的特点,传统的惯性/卫星组合导航系统越来越难以满足人们对导航精度的需求,于是多传感器组合导航系统应运而生并不断发展。在多源导航系统中,如何高效可靠地融合不同传感器的数据是其中的核心,工程实践中采用较多的是联邦Kalman滤波,但其在处理异步异质非周期信号和非线性问题时都显得力不从心,近来越来越多的目光聚集在因子图算法上,故对目前因子图在多源组合导航系统的应用情况以及将来可以发展的方向进行梳理阐述。
导航与制导
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  基于Mahony算法的游泳运动姿态测量快速对准算法

  于向怀, 向政, 孟祥涛

  导航与控制. 2021, 20(3): 17-25. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.003

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  在游泳运动姿态测量中,由于水对各种信号的吸收以及折射问题,依赖外部信息的传感器不能准确提供信息,而惯性技术由于不依赖外部信息,适合应用于游泳运动姿态测量领域。惯性姿态测量需要初始对准技术提供初值,从而计算得到游泳运动过程中的姿态。而游泳运动员起跳时间不确定,传统的初始对准算法需要较长时间才能得到一个较高精度的结果。针对这一问题,提出了采用Mahony算法进行快速对准的方法,使用MEMS九轴惯性测量单元进行信息采集,通过角速度信息计算姿态角,加速度信息修正水平姿态角,磁场强度信息修正偏航角,使用互补滤波方法对多源信息进行融合,从而快速得到惯性姿态测量的初值。实验室实验验证了姿态角水平精度可以在3s内达到角分级别,满足了游泳运动的需求,在实际运动场景下的测试也验证了算法的可行性。
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  一种基于ST-EKF的惯性/里程计滑动窗口滤波技术

  杜学禹, 王茂松, 吴文启, 张靖

  导航与控制. 2021, 20(3): 26-33. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.004

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  针对在卫星拒止的复杂野外环境下传统的惯性/里程计组合导航系统存在的误差随时间积累和方差不一致的问题,提出了一种基于状态变换Kalman滤波(State Transformation Extended Kalman Filter,ST-EKF)的惯性/里程计滑动窗口滤波技术。一方面,引入滤波鲁棒性更好的ST-EKF替代扩展Kalman滤波(Extended Kalman Filter,EKF);另一方面,利用滑动窗口中储存的误差状态向量、误差协方差和状态转移矩阵等数据实时对车辆行驶的航迹进行修正,以达到提高导航定位精度的目的。总里程489.88km的长行驶里程激光陀螺惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)车载导航实验数据的事后处理表明,该算法具有较好的航迹修正效果和较高的导航定位精度,相比于基于EKF的惯性/里程计组合导航算法,其半程(去程)水平位置的均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)减少了42.79%,全程水平位置的RMSE减少47.70%。
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  基于测距测角信息的DG-IEKF相对导航算法

  刘梓轩, 孙永荣, 曾庆化, 赵科东

  导航与控制. 2021, 20(3): 34-43. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.005

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  在自主近距空中加油过程中,无人机通常利用机间数据链进行导航数据共享,解算获得高精度的相对导航信息。机间数据链受扰中断时,在常规相对导航策略失效的情况下,无人机通过搭载的态势感知传感器对未知环境进行探索。针对受油机与非合作目标加油机间中远距离相对导航问题,提出了一种测距测角信息下的相对状态估计算法。考虑到测距测角信息下算法的强非线性,在迭代扩展Kalman滤波(Iterative Extended Kalman Filter,IEKF)的基础上,利用信赖域狗腿(DG)优化算法,提出了一种DG-IEKF算法,并推导了该算法在迭代过程中的状态更新方程与协方差阵更新方程,最后给出了该算法的相对导航仿真结果。仿真实验结果表明,该算法导航精度优于现广泛使用的扩展Kalman滤波算法(Extended Kalman Filter,EKF)与IEKF算法,在RMSE方面与EKF相比,相对位置综合精度提高了35.55%,相对速度综合精度提高了19.20%,具有较高的可靠性与稳定性。
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  基于捷联惯导系统的车载导弹动态快速对准技术

  应智慧, 吴学科, 姜永旺, 王宏刚, 高春峰

  导航与控制. 2021, 20(3): 44-54. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.006

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  导弹的惯导系统初始对准时间和精度直接影响武器装备的机动性和打击精度,如何缩短弹体惯导系统的对准时长以减少车载陆基导弹发射准备时间是各国装备研发人员的重要研究方向。以基于捷联惯导系统的车载陆基导弹行进间快速对准技术为研究对象,对车载主系统和弹载子系统的动态快速传递对准原理进行了分析,建立了详细的误差模型,并进行了多种载车行进状态下的仿真分析和实验验证。研究结果表明,采用动态传递对准的方法可实现子惯导系统在50s内对准过程的姿态收敛,实现了对多种动态情况下的子系统对准精度和对准时间的分析和评估,验证了所提出方案的可行性与准确性。
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  基于最优基站选择的超宽带和惯导融合定位方法

  韩天, 郝敏, 李传苗, 赵雄伟, 缪存孝

  导航与控制. 2021, 20(3): 55-65. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.007

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  为提高基于超宽带的室内定位精度,设计了一种超宽带和惯性导航组融合定位方法。首先,采用基于改进马氏距离的异常值检测方法对超宽带测距过程中的异常值进行了剔除;然后,采用紧耦合滤波以超宽带测距值作为扩展Kalman滤波观测量,以惯性导航的位姿信息作为扩展Kalman滤波预测量,通过超宽带测距来不断校正惯性导航解算的数据融合定位方法。针对定位环境基站多功率消耗大且远距离基站观测数据非视距问题影响定位精度,提出了一种基于协方差矩阵迹作为度量信息的最优基站选择算法。采用传统轮询方法和最优基站选择方法对小车进行了矩形运动实验,实验结果表明:相比传统的轮询算法,采用最优基站选择方法的定位精度提高了15.3%,验证了本文方法的有效性。
传感器与执行机构
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  惯性平台系统石英加速度计温度建模补偿技术

  张金云, 姜欢, 赵军虎, 刘凯, 王汀

  导航与控制. 2021, 20(3): 66-73. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.008

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  惯性平台系统中的石英加速度计输出随温度变化显著,其温度漂移特性会影响惯性平台系统自对准的精度水平。为实现惯性平台系统在内部温度场变化时的快速高精度自对准,开展了惯性平台系统石英加速度计温度建模补偿技术研究。惯性平台系统上电后内部温度场变化显著,而石英加速度计作为关键惯性仪表,其温度漂移直接影响惯性平台系统的自对准精度。针对石英加速度计温度漂移特性进行温度建模补偿,通过多项式样条函数回归方法辨识出石英加速度计温度模型参数,温度补偿后在惯性平台通电升温过程中进行自对准验证。验证结果表明,对惯性平台系统石英加速度计进行温度建模补偿,可以满足惯性平台系统在最短通电时间内完成高精度自对准的使用要求。
材料与工艺
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  正交试验设计在高精度角度传感器粉末涂敷中的应用

  易科胜, 潘忠诚, 任武, 左佳, 张子富

  导航与控制. 2021, 20(3): 74-80. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.009

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  流化床粉末热浸涂敷工艺具有操作方便、生产周期短、质量高以及显著经济效应的特点,广泛应用于电力电子行业。在流化床粉末热浸涂敷设备及涂敷工艺研究的基础上,针对高精度角度传感器对涂敷层厚度尺寸的高要求,先定性分析影响涂敷层厚度的因素,再设计正交试验定量优化涂敷工艺参数,并通过试验结果的极差分析确定了各因素影响涂敷层厚度的程度及趋势,最后通过各项性能检测验证了涂敷层的性能指标要求,突破了高精度角度传感器铁芯的粉末涂敷技术,从根本上保证了其绝缘可靠性,对相关粉末涂敷领域具有一定的借鉴意义。
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  圆盘多环内双梁谐振陀螺的结构设计和制备方法

  李志伟, 张卫平, 谷留涛, 刘朝阳, 朱甲强

  导航与控制. 2021, 20(3): 81-85. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.010

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  多环陀螺由于其对称性好、机械性能优异、能耗低、效率高等特点成为MEMS陀螺领域高性能惯性器件的代表。基于MEMS多环陀螺的发展现状,针对现有多环陀螺结构刚度较大、灵敏度较低的现状,提出了一种新型的圆盘多环内双梁孤立圆环谐振陀螺,通过内双梁的柔性降低了结构刚度,提高了谐振器的灵敏度。对多环谐振陀螺的主要结构进行了详细设计,对多环陀螺的振动模态进行了有限元分析。同时,提出了基于绝缘体上硅(Silicon on Insulator,SOI)工艺和基于阳极键合工艺的两种制备工艺,进行了工艺流程的设计。
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  建立不等式约束条件提高三轴一体光纤陀螺装配合格率

  刘元元, 冯文帅, 李青, 高天, 王利超

  导航与控制. 2021, 20(3): 86-92. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.011

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  共用光源的三轴一体光纤陀螺组件装配后,三轴光路探测器接收的光功率会存在差异,若差异较大导致注入电流超过规定值,则认为装配失败。针对当前缺乏有效的手段确保其装配合格率,根据光源光功率与注入电流的关系、现有光学器件的技术水平,建立了光路损耗不等式约束条件,给出了产品调试成功与否的区域。在装配过程中,引入了全光路检测设备进行光路参数检测,可提早发现并解决光路损耗异常的部件。实验表明,通过事先建立不等式约束条件,三轴一体产品的合格率由75%提高到98%,常温下零偏稳定性优于0.005(°)/h(100s,1σ),满足任务要求。该方法为同类产品的生产提供了一定的指导意义。
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  TC4钛合金筒形件热校形仿真分析

  姚少非, 张宏彬, 李健, 杨成, 杨洋

  导航与控制. 2021, 20(3): 93-98. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.012

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  TC4钛合金筒形件室温弯曲成型后内应力大、回弹严重,难以达到工件要求的尺寸精度。采用热校形的方法可以消除工件内部残余应力,提高尺寸精度,热校形温度、保温时间和工件初始残余应力是影响热校形精度的重要工艺参数。通过建立筒形件热校形的顺序热力耦合有限元模型,分析了校形工艺参数对工件校形后残余应力和尺寸精度的影响,得出了筒形件热校形的合理工艺参数:加热至650℃、保温0.5h。
测试与计量
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  基于姿态角信息的载体升沉位移测量

  李鹏, 魏宗康, 石阳, 李海兵, 罗骋

  导航与控制. 2021, 20(3): 99-106. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.013

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  随着对海洋探索的逐步加深,人们对水面船舶及水下潜航器动态信息测量精度的要求越来越高。特别是水下潜航器,在无外部高度信息注入的情况下,潜航器的高度将由惯性导航系统进行测量。为了消除高度通道发散,提取因海浪波动造成载体的真实升沉信息,首先使用H_∞控制理论进行载体精对准,实现了姿态角的精确测量。其次,通过姿态角信息提取海浪波动的信息,并根据海浪波动特性进行自适应滤波器设计,进而对惯性导航系统天向加速度信息进行滤波处理,得到升沉信息。最后,将原始信息通过Matlab的filtfilt函数进行事后处理,并作为基准信息进行比对。结果显示,该方法得到的升沉信息与基准升沉信息误差为厘米级。
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  广义回归神经网络在光纤陀螺零偏补偿中的应用

  陈洪刚, 王建青, 洪伟, 张培, 江维

  导航与控制. 2021, 20(3): 107-111. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.014

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  因测量精度高、制造工艺简单,光纤陀螺在惯性导航系统中获得了广泛应用,但是温度的变化会使光纤陀螺产生测量误差。针对光纤陀螺的零偏容易受到环境温度影响的问题,提出了使用改进的广义回归神经网络建立光纤陀螺变温零偏补偿模型的方法,有效改善了光纤陀螺的变温零偏稳定性。该模型采用果蝇算法寻找广义回归神经网络的最优光滑因子,提高了模型的拟合精度及计算效率。在相同条件下,对比分析了应用传统广义回归神经网络和改进广义回归神经网络对光纤陀螺变温零偏进行补偿的效果。结果表明,改进的广义回归神经网络模型补偿精度较传统广义回归神经网络模型提升了27%。
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  舰载转运弹链用对准系统设计与研究

  邱东, 刘明, 游浪

  导航与控制. 2021, 20(3): 112-120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.03.015

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  舰载转运弹链为实现防空功能通常装备防空弹,为保证防空弹的快速定向与发射,需要配备具有实时定向功能的对准系统给弹载惯组提供姿态基准。基于运转弹链特征,提出并分析了用于对准系统的两种方案。为进行对准系统的优化设计,一方面以降低成本为目的提出精简惯性导航设备数量的方法,另一方面对两种方案的共四种实施途径进行误差分析。通过标定精度分析、结构件机加工误差分析,对结构固定误差进行解算,通过有限元手段对工况环境下的结构随机误差进行仿真解算,并在此基础上综合分析了系统测量总误差。分析结果表明,在使用足够惯性导航设备的情况下,对准系统的最大测量误差可达到1.8′以内。在降低成本节省惯性导航设备的情况下,对准系统的最大测量误差为2.5′,仍满足高精度对准的要求。