2023年, 第22卷, 第5期　刊出日期：2023-10-05

  

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院士专栏
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  基于高精度光纤干涉仪的世界时测量技术研究

  王巍, 冯文帅, 张首刚, 王学锋, 王惜康, 范运强

  导航与控制. 2023, 22(5): 1-11. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.001

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  世界时是以地球自转运动为参考的时间计量系统,在空间飞行器的轨道坐标转换中起到重要的作用。综述了空间飞行器的精密定轨对世界时测量精度的需求,对现有空间大地测量方法、大型激光陀螺仪、大型光纤干涉仪等测量世界时的现状进行了分析,阐述了基于高精度光纤干涉仪的世界时测量方法需重点解决的关键技术。对所实现的大型高精度光纤干涉仪及其世界时测量系统进行了试验验证,连续15天的测试数据表明,采取了定向测量误差消除方法后,光纤干涉仪的零偏稳定性达9.7×10^-7(°)/h(1h,1σ),测量系统解算的世界时标准偏差为1.5ms,经IERS比对及验证,测量系统的世界时测量误差小于7ms。最后,对基于高精度光纤干涉仪的世界时测量精度以及其他地球参数测量进行了展望。
机电转子式液浮惯性仪表专辑
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  摆式积分陀螺加速度计技术发展综述

  王巍, 孙文利, 李亮, 牛文韬, 周晓俊

  导航与控制. 2023, 22(5): 12-15. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.002

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  摆式积分陀螺加速度计(简称陀螺加速度计)具有高精度、大量程、抗干扰、能自动积分等优点,广泛应用于国内外远程火箭的高精度惯性导航与制导系统中。通过采用动压气浮、全液浮、磁悬浮支承技术,三浮陀螺加速度计成为目前工程应用中最高精度的加速度计。综述了三浮陀螺加速度计的发展现状、技术优势及其三浮支承、伺服控制和精密制造等关键技术,并对陀螺加速度计的技术发展进行了分析。
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  存在整流非线性的无线传能建模精度提升研究

  邢恺, 周晓俊, 高晓会, 陈丰伟, 李颖恒

  导航与控制. 2023, 22(5): 16-21. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.003

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  基于一次谐波近似的无线电能传输系统动态建模中,一般假设整流桥的输入电压与电流同相,但该假设条件会导致建模精度降低。针对该问题,提出了将整流桥电压电流相角、增益作为超参数融入传统动态模型,并通过最小化模型输出与实测输出之间的二次损失函数,估计最优整流桥参数,从而形成一种新的无线电能传输系统动态建模精度提升方法。实验结果表明,采用该方法得到的无线电能传输系统动态模型,其输出曲线更贴近实际输出曲线,利用该模型能更准确地描述系统的动态特性。
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  浮油密度受温度影响的分子动力学模拟

  杨帅, 李亮, 梁涛, 余正海, 王红伟, 曹辉

  导航与控制. 2023, 22(5): 22-28. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.004

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  浮油是液浮陀螺仪的重要组成部分,陀螺仪工作环境温度分布不均引起浮油密度局部变化,导致产生干扰力矩。有限元方法能够实现液浮陀螺仪温度场的仿真以及干扰力矩的分析,但是缺乏对浮油物化性质及变化的研究。通过分子动力学模拟的方法,建立并优化了氟醚油的分子链以及密度计算模型,得到了分子量和温度对密度的影响。结果表明,氟醚油密度随分子量增大而增大,且模拟数值与实测密度相符。温度升高,氟醚油密度下降,密度与温度之间呈线性相关,且分子量越低密度下降越快。拟合校正后所得到的温密方程实现了浮油性质的定量分析,为有限元仿真和液浮陀螺仪的设计提供了基础参数。
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  热载荷下仪表螺纹连接状态的机电阻抗概念验证研究

  付雨露, 王瑞强, 孙清超, 沙立, 凌林本

  导航与控制. 2023, 22(5): 29-36. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.005

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  交变温度载荷会影响螺纹连接状态,从而影响精密惯性仪表的精度和稳定性。机电阻抗技术以其响应快、对微小损伤敏感的特点在螺纹连接检测领域得到广泛应用。然而,现有的机电阻抗检测方法忽略了温度所带来的影响。从理论上分析了温度变化对机电阻抗的影响,以精密惯性仪表动压气浮轴承结构为研究对象,探究了机电阻抗技术识别精密仪表螺纹连接状态的可行性,建立了仿真模型,研究了温度对粘贴在结构上的PZT信号的影响规律,并通过试验验证了PZT信号对温度的敏感性受频段影响。研究表明,温度升高会使得阻抗信号的峰值频率向左偏移,且波峰幅值也会随温度升高而下降。同时,激励频率越低,峰值频率偏移量越小,波峰幅值变化越显著。研究验证了机电阻抗技术识别精密仪表螺纹连接状态的可行性,为机电阻抗检测技术的应用提供了技术支撑,为复杂精密惯性仪表的健康检测提供了理论依据。
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  S型软导线对陀螺加速度计零偏的影响

  靖征, 周晓俊, 牛文韬, 李亮

  导航与控制. 2023, 22(5): 37-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.006

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  为了达到降低摆式积分陀螺加速度计零偏(K₀)的目的,提出了一种S型软导线。针对其结构形式与排布,对仪表零偏(K₀)和浮子组件干扰力矩(M)的影响进行了分析。将S型软导线分割为相切的圆弧,通过改变圆弧弧长、圆弧对应半径以及软导线水平偏角(α)等参数,采用ANSYS Workbench仿真软件Mechanical 模块得到了在给定约束条件下软导线变形程度、应力应变分布以及自由端反作用力大小等信息,结合结构尺寸计算了软导线施加在仪表浮子组件上的干扰力矩和加速度计零偏的数值,为优化软导线结构与布局提供了参考。仿真结果表明:随着总弧长、弧长半径以及水平偏角的增大,干扰力矩M和零偏K₀呈现出先减小后增大的变化趋势,而随着圆弧等分段数的增多,干扰力矩M和零偏K₀则迅速增大。
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  氟油的化学和热稳定性评价方法研究

  张伟, 张忠东, 郑卫琴, 胡金波, 樊景松

  导航与控制. 2023, 22(5): 51-57. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.007

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  氟油是分子中含有氟元素的有机化合物,是烷烃或醚类分子中的氢被氟全部或者部分取代后生成的氟碳化合物,包括全氟碳油、氟氯油和全氟聚醚油等。氟油具有优良的化学和热稳定性、黏温特性和润滑特性,被广泛应用于航空航天、电子、化工、机械和核工业等领域。为了考察氟油的化学和热稳定性,提出了模拟加速的试验方法,通过添加氧气、加热加压等手段,加速氟油的微量降解。采用差示扫描量热法、核磁共振法(氟谱)对模拟加速试验前后的氟油样品进行了检测,同时开发了离子色谱法高灵敏度测定氟油样品中氟离子的浓度,用以考察氟油的化学和热稳定性。在该模拟加速试验条件和测试方法下,当氟离子的浓度不超过5mg/L时,可以初步判定氟油具有良好的稳定性。
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  基于双十字线圈的失谐混合拓扑系统研究

  李颖恒, 王龙, 陈丰伟, 石星烨, 邢恺

  导航与控制. 2023, 22(5): 58-65. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.008

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  在无线电能传输过程中,航天仪器不可避免地会出现发射机构与接收机构位置偏移,这会使功率及效率发生骤减。为了解决这个问题,基于双十字组合式线圈偏移适应性,提出了具有抗偏移性的LCC-LCC及S-S拓扑并联构成的混合拓扑无线电能传输系统。首先,通过COMSOL有限元仿真,分析了机构的磁场分布特性;然后,对LCC-LCC与S-S补偿并联混合拓扑的电路特性及发生偏移振动等条件下的特性进行了分析;最后,通过仿真及实验,验证了所采用的双十字线圈与失谐混合拓扑下无线电能传输系统抗偏移的可靠性与有效性。实验表明:接收线圈在位置偏移下,系统的输出功率与传输效率基本保持不变。
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  液浮陀螺仪的流固热仿真及特性分析

  古旻, 张晶, 樊景松, 苏岩

  导航与控制. 2023, 22(5): 66-72. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.009

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  液浮陀螺仪具有精度高、可靠性高、环境适应能力强等优点,但由于其结构比较复杂,内部温度分布不均引起浮液流动,其产生的干扰力矩是影响陀螺仪精度的关键因素。同时,液浮陀螺仪具有封闭型腔,并且存在固体、液体、气体多种物质状态,导致仪表的温度分布情况难以通过实验直接测量得到。根据液浮陀螺仪的实际工作条件及工作原理,使用多物理场有限元仿真软件,建立了陀螺仪的流固热多物理场计算模型。通过计算得到了液浮陀螺仪的温度分布以及内部浮油和气体的流场与温度场,与实验测试点温度相比,模型计算得到的测试点温度误差为0.36%,关键部位的温度梯度精度可达到0.01K,网格细化20%后,仪表温度梯度变化0.05%,该研究将为后续液浮陀螺仪的温控及精度提升提供重要依据。
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  面向连接工艺随机性的惯性仪表结构变形均匀性评价与分析

  孙泽宇, 杨雷, 杨阳, 孙清超, 凌林本

  导航与控制. 2023, 22(5): 73-78. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.010

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  针对仪表螺纹连接拧紧造成的非均匀变形问题,均匀性装配为提高仪表精度与稳定性提供了一条更为经济、适用性更强的方法。提出了一种变形均匀性的评价方法,通过共生矩阵的特征参数来表征变形均匀性程度。结合仪表关键结构——电机转子结构,建立了精细化仿真分析模型,利用数值模拟方法研究了螺纹连接预紧力工艺参数对仪表电机转子盖变形均匀性的影响。结果表明,预紧力的离散度与转子盖变形均匀性相关性不大,而预紧力的均匀分布有助于提高仪表装配精度,研究结果为精密产品螺纹连接结构设计及工艺设计提供了理论依据。
其他
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  自动跟踪型加速度计电流数字转换电路数字闭环控制研究

  丁浩珅, 谢元平, 樊振方

  导航与控制. 2023, 22(5): 79-85. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.011

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  自动跟踪型加速度计电流数字转换电路的稳定运行需要优化系统控制器的比例积分微分(Proportional Integral Derivative,PID)参数,但是调整参数时多采用试凑、经验判断等方法,此类方法存在调节时间长、控制精度低的问题。针对这一问题,提出了基于根轨迹法求解控制系统的PID参数。此方法首先构建连续控制系统的数学模型,采用根轨迹法求解控制系统的校正控制器参数,校正后的控制系统动态性能指标接近期望值, -3dB带宽达到6.2kHz;然后,采用连续域-离散化设计法对连续域控制器进行离散化处理;最后,基于Simulink分别构建连续域与离散域的闭环控制系统仿真模型。仿真结果表明,两个系统的阶跃响应曲线特性基本相同。在离散域中,输入单位阶跃信号时,系统稳定且输出稳态误差为0。仿真结果可用于电流数字转换电路控制参数优化。
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  电感传感器系统性能影响因素研究

  贺志安, 范世珣, 邢立华, 陈宁

  导航与控制. 2023, 22(5): 86-95. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.012

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  电感位移传感器常用于高速高精光束定位装置等精密测量领域,为了提高电感位移传感器的性能,需要研究电感传感器灵敏度、线性度、分辨率、带宽的影响因素。针对不同电导率大小的衔铁对电感灵敏度的影响关系问题,建立了涡流效应的变压器模型,结果表明:电导率越高的衔铁,其灵敏度越小。分析了激磁频率的选取原则,并推导了电感、电阻的分开测量计算方法。为了确定基于数字锁相放大器解调的位移分辨率与带宽的关系,建立了基于数字锁相放大器解调的测量误差模型。设计了差动电感传感器的位移检测系统,实验结果表明:在带宽为1kHz、总量程为1mm时,经过三次正反行程循环测量,灵敏度为6.888V/mm,重复性达到0.275%,位移分辨率达到26.40nm。经过三次样条平滑非线性补偿后,线性度可以达到99.93%。在相同量程与带宽内,分辨率、线性度优于部分国内外性能较好的传感器。
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  基于天牛群优化算法的转台控制系统研究

  贵浩然

  导航与控制. 2023, 22(5): 96-103. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.013

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  人为依据经验确定转台调节过程中的PID参数不仅效率低,而且参数的精度低,难以达到满意的效果。为解决该问题,提出了一种基于天牛群算法的PID参数寻优方法。首先建立了转台的数学模型,其次介绍了天牛群算法的算法流程、目标函数和寻优过程,最后使用IAE准则通过该算法对参数寻优得到一组最优解。通过与依据经验确定的PID参数对比,采用天牛群优化算法得到的PID参数更有依据,而且转台控制系统的阶跃响应稳定时间为1.1s,超调量为7.4%。
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  连续旋转下陀螺敏感轴偏移误差标定与补偿

  吴宗霖, 陈光, 晏亮, 袁鹏, 管冬雪

  导航与控制. 2023, 22(5): 104-115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2023.05.014

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  激光捷联惯导因其具有良好的短期精度和稳定性等优势而被装备在武器、飞机等领域。针对连续旋转下机抖激光陀螺敏感轴偏移造成导航精度下降的问题,建立了机抖陀螺敏感轴偏移误差模型,利用陀螺有限元仿真结果完善该模型。提出了一种标定方法,该方法通过一种新的位置编排方案对6个敏感轴偏移误差进行充分激励,并用Kalman滤波估计出误差参数。仿真试验表明,该方法可以准确标定出敏感轴偏移误差参数。实物试验表明,补偿敏感轴偏移误差后,惯导系统在动态环境下的速度误差减少了80%以上。该标定与补偿方法能提高惯导系统动态导航精度,具有一定工程价值。