2020年, 第19卷, 第2期　刊出日期：2020-04-05

  

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综述
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  2019年国外导航技术发展综述

  薛连莉, 沈玉芃, 宋丽君, 陈效真

  导航与控制. 2020, 19(2): 1-9. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.001

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  近年来,国外导航技术的发展呈现出多系统融合的发展态势,结合2019年国外导航技术的发展动态,对美国、欧盟、俄罗斯、印度等国家和地区的卫星导航、惯性导航、天文导航、视觉导航、数据库匹配导航、仿生导航、量子导航和全源导航等技术发展现状进行了总结分析,并对相关技术发展进行了展望。
导航与制导
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  基于联邦滤波的多源融合导航算法

  谭聚豪, 陈安升, 张博雅, 陈帅, 温哲君

  导航与控制. 2020, 19(2): 10-18. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.002

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  在复杂多变环境下,单一导航源的定位性能和鲁棒性会受到一定的影响。针对汽车、小型飞行器在城市、峡谷、卫星信号缺失或被遮挡以及导航信息源繁多等情况,研究了基于联邦滤波的多源融合导航算法。该算法综合利用了各种不同的信息源,经过多传感器的高度集成、多信息源的数据融合,生成时空基准统一且具有抗干扰、连续、可靠的PNT服务信息。设计的联邦滤波器采用两级结构,在子滤波器中进行局部估计后,在主滤波器中进行最优合成。此外,每个子滤波器加入了故障诊断算法,且结合自适应滤波理论进行信息因子的自适应分配,有效提高了故障检测能力。最后,通过实验验证了不同信息源组合的有效性,表明所设计的基于联邦滤波的多源融合算法可以提供稳定、可靠以及高精度的多源融合定位服务,具有一定的研究意义和实际价值。
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  基于ISM参数偏差阶梯式变化的ARAIM可用性

  史进恒, 刘建业, 曾庆化, 孟骞

  导航与控制. 2020, 19(2): 19-26. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.003

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  针对双频多星座全球卫星导航系统提供垂直引导服务的先进接收机端完好性监测技术(ARAIM)是当前完好性研究的重要热点之一,完好性支持信息(ISM)是实现ARAIM可用性的核心内容。为了探讨ARAIM可用性对ISM参数偏差的敏感度,在梳理ISM各参数和ARAIM性能关系的基础上,研究了基于阶梯式变化的ISM参数偏差对ARAIM可用性的影响情况。研究结果表明,ARAIM算法的四种可用性判据对ISM参数偏差表现出不同的耐受性,ISM各参数偏差对ARAIM可用性影响差异较大,且ISM参数中的用户测距精度(URA)对ARAIM可用性的影响最为明显,可造成大于10%的严重影响。
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  双星编队对空间非合作目标的仅测角跟踪方法

  姚培东, 李星秀, 吴盘龙, 苏鼎

  导航与控制. 2020, 19(2): 27-34. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.004

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  针对单星仅测角对目标跟踪误差较大和不良测量条件下跟踪精度下降的问题,提出利用编队卫星对非合作目标进行联合跟踪的方法。采用考虑地球非球形J₂引力摄动的轨道动力学模型,建立多视线测量模型,融合编队卫星对目标的观测数据。然后,基于新息设计增益调节矩阵提高滤波器在测量故障条件下的鲁棒性。最后,建立仿真模型进行验证。仿真结果表明,相比单星跟踪,该方法的位置误差和速度误差分别减少了27.06%和26.96%。在系统存在异常量测时,相比常规滤波,该方法也具有更高的精确性和更好的鲁棒性。
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  基于五阶容积-二阶平滑变结构滤波算法的捷联惯导系统初始对准技术

  陈帅, 王婉晨, 王逸辰, 朱玮

  导航与控制. 2020, 19(2): 35-42. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.005

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  为了改进捷联惯导系统大方位失准角初始对准情况下的方位失准角对准精度和稳定性问题,提出了一种组合对准方法。该方法将Kalman滤波对准模型与罗经对准模型相结合构建了一种组合对准机制,并在此模型基础上提出了基于非线性滤波和鲁棒滤波的五阶容积-二阶平滑变结构滤波算法,将五阶容积-二阶平滑变结构滤波算法与组合对准机制相结合,从而实现大方位失准角的初始对准。仿真结果表明,五阶容积-二阶平滑变结构滤波对准方法得到的方位失准角对准精度明显优于常见的几种对准方法,且其对准结果的重现性更高。因此,提出的五阶容积-二阶平滑变结构滤波算法能够很好地适用于大方位失准角的初始对准。
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  一种常规机动下机载SINS/GPS组合导航系统的可观测性分析

  夏宇强, 张林, 陈善秋

  导航与控制. 2020, 19(2): 43-51. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.006

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  为保证机载捷联惯组的导航精度能够达到要求,需要对惯组定期进行返厂标定,成本高、周期长,也影响载机的使用效率,故而机载惯组在线标校技术的研究一直在不断进行中。对大中型运输机的机载惯组而言,由于其机体较大、机动能力较差,很难完成诸如S机动等复杂的机动动作,故而需要对其常规飞行机动状态下机载SINS/GPS组合导航系统的可观测性进行分析。利用GPS提供的速度和位置信息作为外部观测量来设计Kalman滤波器,采用基于分段线性定常系统(PWCS)的奇异值分解法(SVD),对飞机静止、起降、匀速飞行、匀加减速飞行、转弯等一系列常规机动条件下系统的可观测性和可观测度进行研究。通过Matlab仿真和转台实验,验证了组合导航系统可观测性分析结论的有效性,可为机载惯组的在线标校提供一定参考。
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  基于地图匹配的车载惯导行进间精对准算法

  李欣, 赵海波, 马士国

  导航与控制. 2020, 19(2): 52-58. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.007

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  针对车载惯性导航系统快速初始对准问题,以相似性原理为基础,提出了基于地图匹配辅助的车载惯导行进间精对准算法。首先,该算法研究并改进了基于移动相关的最小二乘地图匹配算法,通过跑车实验验证了改进的匹配算法的应用能够获得高精度的位置点群。然后以相似性原理为基础,提出了以地图匹配结果作为虚拟路标点的车载惯导系统行进间迭代精对准算法,从而摆脱对预置路标点的依赖。仿真结果表明,该算法能够获得与基于预置路标点的行进间对准算法精度相当的对准结果。
控制理论与方法
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  基于变结构控制器的敏捷卫星姿态机动方法

  梁健, 眭晓虹, 赵阳, 蔡娅雯, 张和芬

  导航与控制. 2020, 19(2): 59-66. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.008

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  随着遥感卫星观测能力的逐步提升,对卫星敏捷机动能力提出了更高的要求。针对敏捷卫星大角度姿态机动问题,以6个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成五棱锥构型的姿态控制系统执行机构,在构建敏捷卫星姿态运动数学模型以及设计SGCMG系统操纵律的基础上,对卫星绕Euler轴进行姿态机动的角轨迹进行规划,并设计了一种基于误差四元数与误差角速度的变结构控制器。仿真及在轨验证结果表明,该控制器能够完成规划轨迹的良好跟踪且具有较强的鲁棒性,研究成果对敏捷卫星姿态控制系统的设计具有重要的参考意义。
传感器与执行机构
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  高功率低偏振度光纤陀螺光源技术

  王万德, 陈小娟, 杨博

  导航与控制. 2020, 19(2): 67-73. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.009

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  针对高精度光纤陀螺对ASE光源高功率、宽谱宽和低偏振度的应用需求,设计了双程后向ASE光源并进行了仿真和实验验证,研究了铒纤长度为4m、10m和19m的光源光谱特性,分析了泵浦功率、温度的变化对输出功率、平均波长及光谱宽度等参数的影响。结果表明,当铒纤长度为19m时,光源在驱动电流为110mA时的输出功率为4.055mW,光谱宽度为16.63nm,偏振度为1.925%,平均波长随电流的变化量为9.9×10^-6/mA。同时,温度实验表明,铒纤长度为19m的光源平均波长随温度的变化量为5.9×10^-6/℃。
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  光纤陀螺热致漂移仿真分析及实验验证

  佟向鹏

  导航与控制. 2020, 19(2): 74-78. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.010

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  外界温度场作用下,光纤环温度变化和热应力是引起光纤陀螺非互易误差的主要原因。分析了光纤陀螺热致漂移的数学模型,基于该模型仿真研究了对光纤环以恒定功率加热随后转入平稳状态扰动因素下陀螺的输出特性。为验证模型准确性,选用3个光纤环搭建光纤陀螺系统,并对陀螺零偏变化特性进行了测试。测试结果表明,各陀螺零偏测试值与模型计算值间的误差不超过8%,实验结果与模型能够较好符合,该研究结果对高精度光纤陀螺的设计具有重要指导意义。
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  一种用于惯性系统的刚挠背板设计方法

  马一通, 闫文民, 翟庆辉, 杨洋

  导航与控制. 2020, 19(2): 79-86. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.011

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  惯性系统是一种电路种类多、电信号复杂的电子产品,电路信号的品质直接决定整个产品的质量,背板对于各个功能电路的高密度信号互连关系着整个系统的性能。提出了背板设计方法,将惯性系统中电气系统的功能模块电路进行合理划分,确定立体化布局。为模块电路所需的二次电源进行集中分配,对于生成二次电源的总电源进行针对性的电磁滤波,实现惯性系统敏感器、执行机构和模块电路的刚挠电气连接。刚挠背板的设计不仅实现了功能电路的三维布局、电路网络的相互连接,还对信号的质量进行了针对性的优化设计。实践表明,该设计方法提升了电路的集成度,缩小了惯性系统的体积,同时还提高了产品的可靠性。
测试与计量
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  碳纤维丝缠绕无人机毁伤效能分析

  马珊珊, 张跃跃, 张会锁

  导航与控制. 2020, 19(2): 87-91. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.012

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  无人机的应用随着科技的进步迅速发展,但在交通等方面带来的安全隐患却逐渐凸显。基于碳纤维丝缠绕无人机毁伤机理,采用ABAQUS有限元分析软件对不同形状纤维丝缠绕无人机螺旋桨过程进行了数值仿真分析。结果表明,不同纤维丝形状对螺旋桨缠绕的效果不同:对螺旋桨旋转速度的影响,圆形纤维丝缠绕效能较优;而对螺旋桨前行速度的影响,矩形纤维丝缠绕效能更优,该结果可为以后此类反无人机方式中对于纤维丝的选取提供参考。
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  运载火箭振型斜率测量系统研制

  焦舰, 黄慧章, 张明举, 邵添羿, 刘汉辰

  导航与控制. 2020, 19(2): 92-96. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.013

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  结构动力学分析是运载火箭研制必不可少的环节,动力学分析的基础是建立一个准确的数学分析模型,这个数学模型需要通过一些试验测量获取的动特性参数来充分验证。运载火箭的振型斜率是运载火箭稳定控制系统设计的重要参数,该参数受舱段结构局部变形影响较大,无法通过数学仿真计算得到。因此,新型运载火箭必须进行全箭模态试验以获取振型斜率参数。通过全箭模态试验,完成了通过速率陀螺+加速度计直接测量的方式获取箭体结构振型斜率值。同时,根据不同频率下的模态试验,给出了速率陀螺标度因数在不同频率下的修正因子。试验结果表明,本测量方法有效提高了振型斜率的测量精度。
信息与人工智能
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  基于卷积稀疏表示的图像融合方法

  曹义亲, 杨世超

  导航与控制. 2020, 19(2): 97-105. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.014

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  图像融合是图像处理领域中比较重要的一门技术,传统的图像融合方法会降低图像融合质量。针对稀疏表示在图像融合中存在一定的缺陷,提出了一种基于卷积稀疏表示的图像融合方法。首先,对高频子带系数进行合理有效处理,利用相似度分析和视觉显著性进行融合。然后,将低频子带系数整体融合改进为使用Butworth低通滤波对低频子带进行分解,得到低频近似子带和强边缘子带。最后,再用改进的脉冲耦合神经网络(Pulse Coupled Neural Network,PCNN)对强边缘子带进行融合。实验结果表明,与其它传统的图像融合方法相比,信息熵(Information Entropy,IE)提高了将近3%,标准差(Standard Deviation,SD)提高了将近9%,空间频率(Space Frequency,SF)提升了将近30%,互信息(Mutual Information,MI)提升了将近25%。同时,时间效率也有了一定程度地提升。
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  基于SE模块改进Xception的动物种类识别

  倪黎, 邹卫军

  导航与控制. 2020, 19(2): 106-111. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.015

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  Xception是Inception网络的一种极端化表现,在与Inception v3参数相近的情况下,它能够达到更高的准确度。由于神经网络提取的特征不一定都是有用特征,因此以Xception为基础,将SE(Squeeze and Excitation)模块加入该网络,调整特征通道的权重,使得网络的精确度得到提高。通过实验,融合SE模块的Xception网络训练精确度分别在Oxford-IIIT Pet数据集和CUB_200_2011数据集上提升了1%~1.7%和0.8%~1%,证明了SE模块能够进一步提升Xception的精确度。将改进后的Xception应用到动物种类识别中,根据精确度曲线对实验策略调整改进,最终在测试集上获得95.63%的识别率。
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  基于多特征图像增强深度卷积神经网络的航天用电子元器件分类算法

  蔡立明, 李威, 高永发, 张文亮, 张玉强

  导航与控制. 2020, 19(2): 112-119. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.02.016

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  为了实现航天用电子元器件的全自动及非接触识别,并减少由照明系统造成的图像亮度不均、偏色等问题对检测结果的影响,通过结合局部、区域和总体三个层次特征提升物体检测精度,提出了一种基于多特征图像增强深度卷积神经网络(MFIE-DCNN)的航天用电子元器件分类算法。MFIE-DCNN算法包含多特征学习和深度学习,其学习过程类似于人类视觉系统,能够对形状、方向和颜色特征进行深度挖掘,突出元器件边界信息,抑制背景杂波干扰。实验结果表明,该算法能够区分电路板板载元器件的种类,检测准确度优于传统算法。对比基于稀疏自动编码器的深度神经网络,检测结果提高了近20%。