2023年, 第22卷, 第3期　刊出日期：2023-06-05

  

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院士专栏
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  用熵理论指导陀螺仪研制工作

  丁衡高

  导航与控制. 2023, 22(3): 1-4. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.001

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  为了探索惯性技术尤其是惯性仪表的发展规律,提出了基于熵理论的经典陀螺精度分析方法,并采用熵理论指导陀螺技术研究,包括陀螺精度与体积、功率及熵的关系。提高陀螺马达效率,常值漂移和随机漂移有相关性,应用熵概念对其他惯性仪表进行研究,为高精度陀螺发展和应用提供解决具体技术问题的科学思路。
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  关于联合测试工作的思考——以惯性仪表为例

  丁衡高

  导航与控制. 2023, 22(3): 5-7. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.002

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  联合测试是评判相关单位及专业总体技术水平发展的一项好方法,通过开展联合测试,能够发现技术问题、看清技术差距。在此基础上,通过认真总结经验、组织研究攻关,可以促进相关技术的快速发展,也为相关应用提供了牵引。以惯性仪表的联合测试工作为例,提出了一些想法和建议,以期为相关联合测试工作的开展提供一些启发和思路。
综述
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  自主式水下无人潜航器导航系统的应用与展望

  李鹏, 魏宗康, 李海兵

  导航与控制. 2023, 22(3): 8-20. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.003

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  随着科技的进步,自主式水下无人潜航器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)发展迅猛,被应用于地质勘探、水下目标探测、战场监测及协同组网作战等军民领域中。从实际应用出发,梳理并总结了基于惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)的水下导航技术在AUV上的应用情况,并介绍了地球物理场导航、即时定位与构图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)导航、视觉导航、仿生导航、协同导航、全源导航等新型导航技术的发展现状。基于未来AUV向多种类、深远海、长航时、智能化的发展趋势,研判了水下导航系统正在向高精度、集成化、小型化、智能化、体系化等方向加速发展。
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  无人机视觉地理定位研究综述

  朱得糠, 李东泽, 郭鸿博, 李彤

  导航与控制. 2023, 22(3): 21-33. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.004

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  近年来,无人机在控制稳定性、传感器精度和载荷智能化等方面进步显著,被普遍应用于情报侦察、打击引导、安防巡逻、应急救援、森林巡检等军事和民用领域。无人机及其载荷主要承担发现和定位目标的任务,利用相机对地面目标地理定位(简称对地视觉定位)是最为普及的低成本手段,属于航空摄影测量技术分支。基于深度学习的计算机视觉浪潮促进了各类无人系统视觉感知能力的智能化发展,对于搭载光电载荷的无人机而言,对地目标智能识别和定位是重要的能力增长点。鉴于此,系统总结了无人机对地视觉定位技术的研究现状,全面细致地探究了定位过程涉及的各类坐标系定义与相互转换关系,指出了关键原理问题和技术途径。无人机视觉地理定位可分为单机定位和多机协同定位两种方式,主要通过基于辅助地理信息的定位、已知目标距离的定位、三角定位和纯角度滤波定位四种途径实现。同时,预测了未来无人机视觉地理定位技术的研究趋势,力求为无人机系统智能化发展提供支撑。
导航与制导
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  高过载惯导误差建模与补偿方法

  白钲皓, 张琨, 王国栋, 程玉, 陈帅

  导航与控制. 2023, 22(3): 34-40. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.005

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  弹载环境下微惯性器件性能直接影响武器的打击精度,提高惯导性能和惯性导航定位的精度具有十分重要的意义。针对高过载环境下惯导性能参数变化、导航定位能力下降的问题,提出了一种基于多项式回归的冲击误差补偿模型,以降低过载冲击对惯性器件的影响。设计了一种传递对准与运动约束辅助的导航定位方案,通过传递对准提高惯导的初始对准精度,无卫星导航情况下利用载体运动模型抑制惯性器件误差发散。实验结果表明:相较于传统模型,冲击误差补偿模型误差降低了1个数量级,采用传递对准与运动约束辅助的方案,3min直线行驶最大位置误差小于50m,相较于常规纯惯性导航定位精度提升了85%,能有效提高无卫星导航情况下的自主导航定位精度。
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  K频段双极化卫星通信接收相控阵天线

  时立锋, 金世超, 刘敦歌, 吴冰, 袁野, 龚志红

  导航与控制. 2023, 22(3): 41-46. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.006

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  当前卫星互联网建设迅速推进,针对低轨卫星通信对终端天线跨星波束切换、低成本、低剖面应用需求,提出了一种K频段圆极化可切换接收相控阵天线。采用“双线极化天线+旋转馈电+移相控制”实现天线圆极化设计,将相控阵天线层、电源层、控制层、功合网络层和芯片层等多层PCB一体化集成,研制出64阵元的接收相控阵天线。测试结果表明:该天线工作频段为18.5GHz~20.0GHz,G/T值为-7.82dB/K,可实现±60°扫描,天线厚度为3.3mm。相比传统砖式相控阵天线,该相控阵天线剖面低、质量小、扩展性好,对卫星通信终端天线发展具有重要意义。
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  基于BDS载波与伪码一致性的欺骗检测算法

  周兴, 陈帅, 白钲皓, 袁思思, 张琨

  导航与控制. 2023, 22(3): 47-53. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.007

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  近年来,随着北斗卫星导航系统的建成,卫星导航在我国国防、经济等领域的应用日渐广泛,提高卫星导航系统的安全性日益成为研究热点。针对卫星信号较弱导致卫星信号接收机易被欺骗设备干扰的问题,提出了一种基于北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)载波与伪码一致性的欺骗信号检测算法。首先,分析了BDS载波和伪码频率的一致性;然后,利用在正常无欺骗信号干扰与有欺骗信号干扰场景下BDS信号载波和伪码一致性不同的特点,设计了一种基于载波和伪码Doppler差值方差的中级欺骗干扰检测方法;最后,使用GNSS卫星信号模拟器与欺骗设备生成一组含欺骗信号的BDS信号,利用所提算法对欺骗信号进行检测。实验结果表明,所提算法可以在欺骗信号出现之后的5s内检测出欺骗干扰信号,可以及时提醒外部设备。
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  基于信号源优化选择的集群飞行器协同定位方法研究

  何辉, 王融, 熊智, 刘建业, 刘瑶凯

  导航与控制. 2023, 22(3): 54-60. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.008

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  飞行器集群技术可以扩大工作范围,提高整体作战效率,高精度的协同导航系统为提高集群整体作战效能提供了支撑和保障,协同定位信号源选取会对定位结果产生重要的影响。对待定位飞行器和基准飞行器之间的协同定位源选择进行了优化,根据待定位飞行器位置误差椭圆选择当前时刻合适方向的协同定位信号源,优化协同定位信号源的选择,减少协同信息计算处理量,加快协同定位解算。通过仿真验证了该方法的有效性,可高效利用集群导航信息优化提高待定位飞行器导航系统定位精度。
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  基于大气偏振模式对称性的定向算法

  黄靖, 范晨, 何晓峰, 周文舟, 胡小平

  导航与控制. 2023, 22(3): 61-67. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.009

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  为了实现载体三维运动姿态下的大气偏振模式表征,探究了载体非水平运动条件下的偏振光定向机理。利用一阶Rayleigh散射特性,融合微惯性信息,提出了一种适用于载体三维运动的大气偏振模式对称定向算法。首先,建立了大气偏振模式仿真模型,求得不同水平角下大气偏振模式分布;其次,采用基于梯度计算与定点约束下直线拟合的方法准确提取大气偏振模式分布的对称线,计算偏振角梯度分布,使用定点约束与最小二乘法对特征点进行直线拟合得到对称线;最后,融合微惯性提供的水平角信息,建立了三维运动条件下的对称大气偏振模式定向模型。对所提出的算法进行了实验测试,当载体俯仰角为10°时,融合水平角的三维定向结果均方根误差从5.4592°减小至1.3741°。
控制理论与方法
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  动压气浮永磁同步电机高稳定性转速控制

  李玉猛, 马官营, 惠欣, 朱梦如

  导航与控制. 2023, 22(3): 68-75. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.010

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  针对动压气浮永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)无传感器高稳定性转速控制难题,开展了基于正弦波驱动的双闭环控制研究。首先,设计了锁相环(Phase-locked Loop,PLL)转子位置估计器,实时估计转子位置;其次,提出了一种正弦波驱动方法,减小了转矩波动;最后,构建了电流环和速度环组成的电机闭环控制系统,提高了电机抗负载扰动能力和转速波动抑制能力。试验结果表明,永磁同步电机的转速平稳性达到了10^-5量级。
传感器与执行机构
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  基于可调感温电桥的MEMS传感器恒温控制模型研究

  范柚攸, 周金秋, 周博远, 张龙, 权海洋

  导航与控制. 2023, 22(3): 76-85. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.011

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  温度漂移是限制MEMS传感器高精度应用的重要因素,恒温控制方案可从源头上降低温度漂移对其性能的影响。针对环境温度波动和温度梯度分布问题,提出了一种基于可调感温电桥的恒温控制模型,目标控温点通过不同温度信息加权得到,加权系数可由电学参数便捷调整,最终实现不同温度分布情况下的恒温点控制。同时,模型中增加了环境温度抑制电路,实时监测环境温度波动并将误差信息反馈至控制信号。利用Simulink搭建了热电一体化仿真模型,融合了具体电路结构和热学微分方程,仿真了热阻、热容和环境温度等因素对控温点的影响。考虑到环境温度(-55℃~55℃)以阶跃和斜坡方式变化,增加了环境温度抑制电路的模型,在温度稳定度方面分别优化了46.8倍(从1.7272×10^-4/℃到3.69×10^-6/℃@阶跃变化)和47.3倍(从1.5373×10^-4/℃到3.25×10^-6/℃@斜坡变化)。因此,所提出的恒温控制模型可有效抑制环境温度波动对恒温点的影响,并可应用于不同温度梯度分布情况,提高了恒温控制方案的适用性,缩短了设计周期。
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  低噪声高增益的微半球陀螺接口电路

  李尧昌, 朱建港, 孙鹏, 刘寅宇

  导航与控制. 2023, 22(3): 86-93. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.012

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  微半球陀螺接口电路的性能直接影响着陀螺仪的关键性能指标,是微半球陀螺研究的重点。针对微半球陀螺微弱振动信号的测量需求,首先分析了几种电容检测电路,其中详细分析了几种跨阻放大电路(Trans-impedance Amplifier,TIA)的噪声模型;其次,对几种电容检测电路的本征噪声性能进行了详细的分析和对比;最后,通过分析和优化设计了一种低噪声高增益的微半球陀螺接口电路。接口电路由驱动电路和读出电路构成。读出电路由两级放大电路组成,第一级采用两路跨阻放大器对差分振动电容的微弱电流信号读出,第二级采用差动放大器对两路跨阻电路的输出信号进行放大,通过带通滤波实现了陀螺信号的读出功能。实验结果表明,本电路具备9.93V/fF的电容电压转换电路(Capacitor to Voltage,C/V)读出增益和0.039zF/Hz^1/2(@16.76718kHz)的电容分辨率。
材料与工艺
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  浮油组分分离对三浮陀螺仪误差系数变化的机理分析

  梁涛, 王巍, 李亮, 孙文利, 凌林本, 沙立

  导航与控制. 2023, 22(3): 94-99. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.013

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  三浮陀螺仪浮子组件利用高密度浮油实现全液浮,用于卸载重力和消除机械支撑带来的摩擦力矩。但陀螺仪在某一位置长时间放置后,浮油组分分离形成的干扰力矩会造成一次项误差系数的变化。通过仿真计算、数学模型、试验测试证实了这种干扰力矩的存在,解释了浮油对三浮陀螺仪姿态变化精度的影响机理。
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  航天器光纤陀螺用绕环胶特性分析

  王晓玲, 党静, 刘保林, 张宇飞, 赵亚飞, 王晓阳

  导航与控制. 2023, 22(3): 100-105. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.014

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  光纤环是航天器光纤陀螺的核心部件,其性能直接影响光纤陀螺精度。光纤环绕制过程中需要对光纤进行施胶,绕环胶的优劣会对光纤环性能产生很大影响,进而对航天器光纤陀螺的性能产生较大的影响。首先初选出两种紫外光固化胶作为绕环胶,然后对比分析了两种紫外胶绕制的光纤环光学性能随温度的变化情况,最后通过测试绕环胶的真空挥发性能确定了适用于航天器光纤陀螺的绕环胶。通过分析发现,不同绕环胶的真空挥发性能差异较大是制约绕环胶在航天器上应用的重要指标。
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  基于非线性虚拟材料法的栓接结合部动态特性分析

  李鹏, 杨成, 刘秀宇, 魏超, 吴齐运

  导航与控制. 2023, 22(3): 106-115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.03.015

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  在航空航天领域,栓接作为最可靠的机械连接方式之一,广泛应用于箭上各类仪器设备的安装、航空发动机的连接法兰以及机翼与机身主结构的固定等场景,栓接结合部的动态特性对航天器结构可靠性以及箭载仪器仪表的输出精度都有重要的影响。基于分形理论,提出了一种基于非线性虚拟材料法的栓接结合部模型,将结合部看作由结合部上部分、结合部下部分及中间非线性虚拟材料层三部分组成。采用区域逼近法对栓接结合部进行区域划分,计算出各区域非线性虚拟材料的等效弹性模量、剪切模量、泊松比和密度特征参数,并推导出接触表面压强与虚拟材料特征参数的函数关系。设计L形组合件的模态试验验证所提出模型的有效性,通过与传统虚拟材料法理论结果的对比,非线性虚拟材料模型最大误差为8.80%,结果远远优于传统虚拟材料法,验证了所提出模型的准确性。