2021年, 第20卷, 第4期　刊出日期：2021-08-05

  

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专家特稿
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  面向战略导弹的新一代惯性系统

  焦泽德, 魏宗康, 高荣荣

  导航与控制. 2021, 20(4): 1-8. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.001

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  自主式惯性制导系统是战略导弹“威慑可信、反击可靠”的保障,针对我国已装备的战略导弹惯性系统在高精度、高可靠、实战化等方面存在的不足,系统阐述了位置捷联、位置平台和速率捷联的工作特点和局限性,首次提出了一种可同时满足高精度、全姿态、小型化的新一代惯性系统——速率平台。该惯性系统既具备速率捷联系统小型化、全姿态的特点,又兼顾了位置平台系统隔离角运动的功能。针对战略级惯性系统冗余不足引起的可靠性问题,在速率平台的基础上从智能化的角度提出了具备导航级故障诊断和自主重构的新体制惯性系统,该惯性系统将首次具备了自主导航、自主控制与自主重构的能力。
综述
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  光纤光子纠缠增强陀螺的现状与认知

  阮驰, 张昌昌, 尹飞, 宋丽君, 段启航, 胡强, 高峰

  导航与控制. 2021, 20(4): 9-23. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.002

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  1996年,Bollinger等指出利用光子纠缠态NOON态可使干涉仪的相位测量精度相对于散粒噪声极限提高公式倍,达到海森堡极限(Heisenberg Limit Measurement)。2019年5月8日,奥地利科学家马蒂亚斯·芬克(Matthias Fink)团队在《New Journal of Physics》上报道了纠缠增强光子陀螺,其利用纠缠光源降低光子de-Broglie波长,实现了超过散粒噪声极限的相位测量。马蒂亚斯·芬克团队的研究成果在业界引起较大反响,并聚焦为光纤光子纠缠陀螺的研究热点。基于新型光纤光子纠缠增强陀螺的相关概念,对光纤光子纠缠增强陀螺的工作原理、理论可实现精度、国内外研究基础和现状等进行了收集梳理、学习分析、认知提升,进而在此基础上针对相关技术,如光子纠缠源、光子纠缠通量的增强抑衰、信息的逻辑采集处理解算、光子纠缠增强陀螺集成技术、光子纠缠陀螺系统验证技术等的创新推进提出了一些浅显看法以商榷。通过上述工作也期望能 “抛砖引玉”,为我国光纤光子纠缠增强陀螺技术的起步和未来的发展推广应用奠定基础,并激励广大研究者继续深入探索。
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  北斗卫星导航欺骗与抗欺骗技术现状探讨

  刘清秀, 程玉, 王国栋, 马永犇, 陈帅

  导航与控制. 2021, 20(4): 24-32. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.003

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  作为全球四大卫星导航系统之一,北斗也容易遭受恶意欺骗干扰。在北斗赋能各行各业的时代,守护北斗就是守护我们的家园。对欺骗技术和抗欺骗技术原理分别进行了介绍,讨论了不同的欺骗手段对接收机的影响,从接收机捕获通道和跟踪通道的欺骗特征详细介绍了几种抗欺骗技术,并重点阐述了当前欺骗和抗欺骗技术的现状,最后展望了未来的欺骗技术和欺骗防御技术,希望对卫星导航接收机的抗欺骗干扰技术工程化应用提供思路。
导航与制导
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  基于惯性/航迹推测的煤矿掘锚机组合导航方法

  伦华江, 徐枫, 黄喆, 许东旭, 张晓日

  导航与控制. 2021, 20(4): 33-40. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.004

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  掘锚机是煤炭生产过程中的重要装备,精确的导向测量能够使其安全、高效掘进。针对掘锚机作业时难以沿绝对直线掘进的问题,提出了一种基于捷联惯性导航+航位推测+刚体零位相结合的导航定位算法,利用捷联惯导系统的实时姿态测量值+里程计的位移测量值+全站仪初始状态标定的特征点空间坐标值,实现了掘锚机掘进时机头、机尾空间坐标及相对于掘进计划线水平/垂直偏差的高精度测量。实验结果表明:所提出的导航方法具有可靠性高、精度高及传感信息完备等特点,偏差测量精度为0.038%,满足掘锚机高精度导航定位需求。
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  基于大气偏振光的载体姿态参数提取方法

  任建斌, 杨明, 宋妮

  导航与控制. 2021, 20(4): 41-48. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.005

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  大气偏振模式是地球自有属性,可为大气层内的生物和载体提供导航信息。提出一种利用大气偏振模式矢量性特征获取载体姿态参数的直接方法,首先利用图像法从单反相机获取的180°全天域灰度图中重建出大气偏振模式,然后对该模式进程进行分析和处理,确定出天空每个测量点的E-矢量信息,接着利用这些E-矢量建立载体的姿态变换矩阵,最后引入奇异值分解的经典方法最小化误差函数,获取到载体的姿态参数。该方法的有效性通过模拟飞行器控制台得以验证,最大解算偏差不超过0.5°。
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  基于位置观测量的光纤陀螺惯导系泊条件自标定方法

  饶国像, 周元, 杨晓莺

  导航与控制. 2021, 20(4): 49-58. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.006

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  当舰船处于系泊状态时,海浪等外界干扰因素会给舰载高精度惯导系统的标定带来误差。为降低动态环境对标定的影响,实现惯导系统的船上自标定,设计了一种系泊条件下基于导航方式的系统级八位置自标定方法。利用光纤陀螺惯导台体处于惯性空间稳定状态下的位置导航误差作为观测量,采用最小二乘方法,可在45min内估计出加速度计零偏、标度因数、安装误差、标度不对称误差、陀螺零次项和基座初始对准误差角共18项误差系数,并采用Monte Carlo仿真方法分析了不同系泊环境条件对自标定精度的影响。仿真结果反映了标定方法对海态晃动条件的适用范围,对工程应用具有参考价值。
传感器与执行机构
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  基于阻力矩测量方法的高速磁悬浮飞轮损耗分析与优化

  吕奇超, 吕东元, 李延宝, 刘平凡

  导航与控制. 2021, 20(4): 59-65. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.007

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  磁悬浮惯性执行机构是空间飞行器姿控系统的关键执行机构,为了准确获得高速磁悬浮飞轮的能耗影响因素,对飞轮结构进行优化设计。首先分析了旋转磁通条件下磁性材料的铜损耗、磁滞损耗和涡流损耗,提出采用电机阻力矩测量方法间接测量磁悬浮飞轮内部的能量损耗,通过实际测量飞轮降速曲线和理论计算得到飞轮阻力矩,测量不同结构形式和基座材质下飞轮的阻力矩,并比较了飞轮能耗。实验结果表明,在满足飞轮其他性能情况下,增加电机定转子轴向间距、添加电机隔磁环、改变电机定子及磁轴承基座材料可以降低飞轮阻力矩。优化后的飞轮阻力矩由原来的28.7mN·m降低至21.5mN·m,能耗降低25%以上。
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  内S形柔性梁多环谐振陀螺热弹性阻尼分析

  冯军, 张卫平, 刘朝阳, 谷留涛

  导航与控制. 2021, 20(4): 66-72. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.008

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  多环谐振陀螺是当前高精度陀螺的研究热点,内S形柔性梁多环谐振陀螺是一种具有S形柔性梁的新型多环谐振陀螺,研究其热弹性阻尼对于提高陀螺性能至关重要。介绍了内S形柔性梁多环谐振陀螺的结构和工作原理,借助有限元方法对其热弹性阻尼的发生机理进行了分析,并在此基础上分析了结构参数对热弹性阻尼的影响。实验结果表明:内S形柔性梁多环谐振陀螺的热弹性阻尼可以用Zener理论近似描述,实现高品质因数应降低谐振频率,同时还应兼顾工艺条件、封装尺寸和抗冲击能力等因素。
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  主动制冷型温控系统在捷联式重力仪上的应用

  王响雷, 杨雨, 薛正兵

  导航与控制. 2021, 20(4): 73-79. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.009

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  针对惯性导航系统内部惯性器件工作温度偏高的问题,以捷联式重力仪为研究对象,基于热电制冷器设计了一套主动制冷型温控系统。它可显著降低惯性器件工作环境温度及其变化率,有利于提升加速度计工作的温度稳定性和长期稳定性。根据系统仿真与实验验证,直接控制对象的温度能够稳定在30℃±0.05℃。与加热型温控系统相比,温差达到了-21.00℃,加速度计的工作环境温度从56.00℃降低到了43.59℃。主动制冷型温控系统能够提升重力仪在高温环境下的环境适应性,且其温度分布更加有利于提升加速度计的输出稳定性。
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  高精度石英挠性加速度计力矩器磁路仿真分析

  杜剑, 张阳, 李军朔, 冯东棉, 王文一

  导航与控制. 2021, 20(4): 80-86. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.010

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  针对石英挠性加速度计标度因数非线性误差主要来源于力矩器磁路性能非线性及不同温度下加速度计参数随力矩器中永磁体磁性能变化产生漂移的问题,建立了力矩器的1/4二维有限元分析模型,对使用新型永磁体加速度计力矩器磁路进行计算,得到了不同结构下工作气隙磁密分布规律及不同温度下工作气隙磁密的温度系数。依据仿真结果,优化设计后的气隙磁密线性长度增加了72%,实测数据证明该方案加速度计的二阶非线性误差优于5×10^-6,同时该方法为仿真计算加速度计标度因数的温度系数提供了新思路。
材料与工艺
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  基于传输稳定性与可靠性的星载滑环工艺优化方法

  余建波, 孙远航, 王永松, 孙习武

  导航与控制. 2021, 20(4): 87-95. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.011

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  星载滑环是航天系统的信号传输部件,随着目前航天任务对转动机构的需求越来越广泛,星载导电滑环对航天信号传输系统实现起到关键作用。因此,导电滑环的可靠性与传输稳定性决定了整个航天系统的成败。由于滑环的工作环境与测试的复杂性,导致对滑环的研究尤为困难。针对滑环的重要性能指标(即可靠性与稳定性),提出了基于滑环传输稳定性和可靠性的滑环工艺优化方法。首先,根据滑环的失效机理和运行环境特点,将磨屑量作为性能退化特征量,应用传热学、摩擦学、运动学构建滑环磨损失效模型,进而达到预测不同工况下的滑环磨损程度。同时,为了保证滑环的传输稳定性,将滑环传输稳定性的需求与磨损失效模型结合,构建基于滑环传输稳定性和可靠性的工艺优化方法,同时将提出的方法应用于实际滑环工艺优化设计,达到提升滑环性能的目的。采用所提出的方法对滑环接触载荷进行了优化,验证了方法的有效性。
测试与计量
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  基于微惯性技术的人体头部运动姿态测量

  张天, 王强, 牛海涛, 靳舒馨

  导航与控制. 2021, 20(4): 96-100. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.012

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  头盔瞄准镜等智能军事装备使用人体头部姿态信息作为机载武器站、光电云台等随动执行器的高精度控制输入,因缺少有效的人体头部运动特性数据,其控制优化受到了限制。研究使用微惯性技术实现了高精度人体头部运动信息采集,并设计了运动特性实验对人体头部运动规律进行具体表征,实际测得了多个运动特征:人体头部极限速度约600(°)/s、0(°)/s~600(°)/s的加速时间约100ms、极限摆动频率约1.5Hz等。这些运动数据可作为军事装备中随动执行器机电特性设计的重要参考依据,为智能军事装备进一步优化创造了空间。
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  激光点火系统损耗检测温度误差补偿方法

  靳晋军, 刘海娜, 陆儒培, 袁梦涵, 王军龙

  导航与控制. 2021, 20(4): 101-107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.013

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  点火通路损耗检测精度是激光点火系统的一个重要指标,其在很大程度上决定着点火系统状态判断的准确性。针对激光点火系统损耗检测精度随温度变化的问题,对不同温度条件下激光点火系统的点火通路损耗检测精度进行了分析。分析结果表明,探测器暗电流、运放输入偏置电流和输入失调电压等均会影响检测精度,且检测偏差随温度升高而增大。建立了点火通路损耗检测温度误差模型,在-40℃~75℃范围内,采用温度误差模型进行补偿后,火工品发火前的损耗检测偏差(峰峰值)从0.62dB减小为0.16dB,火工品发火后的损耗检测偏差(峰峰值)从1.45dB减小为0.30dB,提高了损耗检测的精度,为判断是否具备发火条件及发火状态提供了有效支撑。
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  基于ST-EKF与滤波增益约束的加速度计微g级标定

  郭航, 吴文启, 王茂松, 崔加瑞

  导航与控制. 2021, 20(4): 108-117. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.04.014

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  提高加速度计组件的标定精度是实现高精度导航、高精度测姿的重要途径。针对加速度计组件通过线性误差模型标定后难以达到微g级精度的情况,建立了包含二次项误差和振摆误差在内的加速度计组件误差模型,并提出了一种基于状态变换Kalman滤波与滤波增益约束的系统级标定算法。该算法借鉴Schmidt-Kalman滤波器与可观测性约束Kalman滤波器原理,可减小滤波状态协方差矩阵计算误差和滤波增益计算误差,从而提高弱可观误差状态的估计精度。与传统系统级标定算法的对比实验表明,所提出的新算法能够更加精确估计出包含二次项误差与振摆误差在内的加速计组件的各项误差,新算法使在大水平姿态倾角下的重力模值测量残差的均方差从线性误差模型的24.12μg、线性/二次项误差模型的13.38μg减少到6.71μg。4500s大水平姿态变化下的纯惯导实验结果表明:与仅用线性误差模型的系统级标定结果相比,系统级标定新算法使惯导系统的东向、北向导航最大位置误差分别从192.40m、96.72m减小到74.64m、65.44m。所提出的系统级标定新算法具备更好的标定精度,从而使得导航精度得到提高。