2020年, 第19卷, 第3期　刊出日期：2020-06-05

  

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综述
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  非线性光学干涉仪的研究现状及发展趋势

  王巍, 桑建芝, 刘院省

  导航与控制. 2020, 19(3): 1-6. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.001

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  介绍了非线性光学干涉仪的基本原理和关键技术,综述了国内外的研究进展,展望了非线性光学干涉仪的发展趋势,并对其潜在应用进行了分析。
导航与制导
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  北斗导航接收机高增益相干积分算法

  李荣冰, 周颖, 韩志凤, 刘建业

  导航与控制. 2020, 19(3): 7-13. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.002

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  近年来,针对弱信号的高灵敏度接收机已逐渐成为国内外的研究热点。加长相干积分时间可以提高信噪比,从而跟踪到更弱的信号。但是,北斗导航接收机跟踪环路并不可以无限加长相干积分时间,相干积分时间的长短和功效还受到卫星导航电文比特跳变的限制。为了消除导航电文比特跳变对相干积分的影响,提出了一种改进的基于最大似然估计的北斗信号位同步方法,完成位同步后再利用先猜后检的方法便可以实现长相干积分。利用软件接收机进行编程设计,仿真结果表明:该长相干积分算法能够稳定可靠地实现对弱信号的跟踪,20ms相干积分环路信噪比约提升12dB,40ms相干积分环路信噪比约提升15dB,80ms相干积分环路信噪比约提升17dB,提高了北斗导航接收机的灵敏度。
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  基于综合指标的最优冗余陀螺配置确定方法

  冯佳佳, 王佐伟

  导航与控制. 2020, 19(3): 14-20. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.003

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  陀螺是航天器控制系统中的关键姿态敏感器,其主要采取冗余措施进行配置。针对航天器控制系统设计中如何进行陀螺冗余配置的问题,提出了一种确定最优冗余陀螺配置的方法,该方法综合考虑了系统的可靠性、精度、成本代价等综合指标。首先,以工程中普遍采用的陀螺斜置式为对象,系统性给出了陀螺斜置式的安装结构,并以测量误差最小为目标确定出确定安装数目下的最优陀螺冗余安装结构。其次,结合实际工程经验对陀螺冗余配置的综合性能指标进行详细系统的分析。然后,利用优化评价方法以综合指标为基础对不同安装数目下的陀螺冗余安装结构进行综合评价,确定出陀螺冗余配置的最优安装数目,即最优冗余陀螺配置。最后,利用该方法对实际工程中的斜置式陀螺冗余配置进行分析和计算。结果表明,当陀螺的安装数目为7时为最优冗余配置,该结论对实际工程具有理论指导作用。
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  基于极限学习机的黑障区智能导航算法

  景羿铭, 王融, 熊智, 赵耀, 刘建业

  导航与控制. 2020, 19(3): 21-26. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.004

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  在黑障区飞行阶段中,惯性导航系统会因缺少辅助导航系统而持续累积误差,导致飞行器导航系统可靠性下降。针对这一问题,提出了一种新的基于极限学习机的黑障区智能导航算法,通过极限学习机(ELM)对GPS正常工作的导航信息进行学习。在黑障区,利用学习得到的模型对惯性导航系统进行误差补偿,较好地修正了当GPS失锁时惯性导航系统的误差,避免了因误差累积而导致的导航信息发散。仿真结果表明,该算法能够保证在GPS失锁的黑障区中导航系统输出的信息有较好的可靠性和精度,能够为接下来的姿态调整和着陆准备提供良好的基础。
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  SINS辅助的星敏感器在线标定方法

  谷丛, 刘洋, 吴成智, 肖波, 林建华

  导航与控制. 2020, 19(3): 27-32. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.005

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  航天器在飞行过程中,星敏感器受到外界温度、地面标定精度等因素影响存在较大的安装误差,这将严重影响星敏感器的定姿精度。为提高星敏感器精度,对其安装误差进行严格的在轨实时标定与修正是确保星敏感器测量精度的关键。提出了一种SINS辅助的在线标定方法,将SINS/星敏感器输出的姿态信息进行配准,构建了组合导航系统的Kalman滤波模型。该方法只需航天器在飞行过程中做简单的机动,即可对星敏感器的安装误差角进行实时在线标定。仿真结果表明,采用该标定方法可使星敏感器和惯导的安装误差角的总体估计率达到95%以上,具有较高的工程应用价值。
传感器与执行机构
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  基于高灵敏超导探测器的新型脉冲光高精度光纤陀螺技术研究

  王巍, 冯文帅, 于海成

  导航与控制. 2020, 19(3): 33-39. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.006

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  高精度光纤陀螺的精度主要由光纤陀螺检测噪声决定,一般可用角随机游走系数来表征,光纤陀螺的角随机游走主要由光路干涉信号的信噪比和信号处理引入的噪声决定。提出了基于高灵敏超导探测器的脉冲光高精度光纤陀螺技术方案和精度提升方法,实现了陀螺光信号的高灵敏检测,显著降低了光纤陀螺的热噪声,降低了相对强度噪声,并避免了连续光因调制切换引入的尖峰脉冲误差的影响,有效提升了光纤陀螺的精度水平。通过仿真分析,可将光纤陀螺的随机游走系数检测极限从3.53×10^-5(°)/h^1/2降低至1.6×10^-5(°)/h^1/2,减小了约54.7%。
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  地面静电加速度计的位移检测电路设计

  贺晓霞, 郑峥嵘, 韩丰田, 刘云峰, 张嵘

  导航与控制. 2020, 19(3): 40-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.007

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  高精度静电悬浮加速度计可作为海空重力测量仪器中的核心传感器,检验质量的位移检测电路是加速度计控制系统的核心,其精度直接影响了加速度计零偏和标度因数的稳定性,因此需要研究分辨率高、噪声小的位移检测系统。针对高精度静电悬浮加速度计的地面应用需求,以大表面积质量比的敏感探头结构为测量对象,设计了基于差动电容的位移检测电路,建立了电容检测电路的数学模型,对电路误差源进行了系统分析。实验结果表明,该电路能够有效地抑制悬浮高压引入的耦合误差,减小电路噪声。当电路工作在零点附近,20kHz内的噪声小于2×10^-6V/Hz^1/2,对应电容检测分辨率为2.93×10^-5pF/Hz^1/2,能够满足地面应用静电加速度计对位移测量精度的要求。
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  减载加速度计组合减振设计与分析

  吴成智, 胡梦纯, 秦荦晟, 徐挺

  导航与控制. 2020, 19(3): 51-58. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.008

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  运载火箭飞行过程中振动量极大,影响减载加速度计组合输出精度,必须加上减振器才能满足系统指标的要求。同时,为了实现减载加速度计组合小型化、轻量化的要求,采用四点减振的减振方案,介绍了减载加速度计组合减振设计过程,并采用ANSYS有限元软件分析了减载加速度计组合未采用减振系统情况下的模态、应力和加速度响应。通过在减载加速度计组合底座上安装4个减振器,使用电磁振动台对减载加速度计组合3个方向进行正弦振动及随机振动试验。试验结果表明,减载加速度计组合采用的四点减振形式可以有效地隔离振动,减载加速度计组合输出精度满足系统提出的零偏均值小于4mg的指标要求,减振器指标设计合理。
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  航天用反作用飞轮旋转变压器位置检测算法

  尤磊, 吴敬玉, 王勇, 周承豫, 刘忠国

  导航与控制. 2020, 19(3): 59-64. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.009

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  目前,航天用反作用飞轮大多采用霍尔传感器或光电码盘进行测速。但是,霍尔传感器在反作用飞轮低速运行时精度相对较低,光电编码器的环境适应性相对较弱。基于此,提出了一种使用旋转变压器检测反作用飞轮转子位置的方法。但如果在现有飞轮控制电路中额外使用旋转变压器专用解码芯片,会导致成本大大提高,故提出了使用控制电路中的FPGA进行解码的方法。首先,介绍了旋转变压器的工作原理,通过求解反三角函数获得转子位置。其次,介绍了传统坐标旋转数字计算机(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)算法。最后,针对传统CORDIC算法无法求解完整平面角度值问题,提出了一种改进型CORDIC算法求解转子位置,并给出了一种能够减少硬件使用资源的全流水线CORDIC阵列结构。通过Modelsim仿真,证明了所提出的方法具有占用资源较少、延迟低、测量精度较高等优点,在反作用飞轮测速应用中具有良好前景。
材料与工艺
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  一种石英加速度计用磁处理系统研制

  郭祎, 张纯喜, 汤海澄

  导航与控制. 2020, 19(3): 65-71. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.010

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  针对石英加速度计力矩器磁性能处理过程依赖人工操作、测量精度差、生产效率低的问题,研制了一种新型石英加速度计用磁处理系统。此系统可自动进行力矩器的充磁、退磁、测磁操作,不依赖人工;采用多探头设计,可同时在线测量4点气隙磁场强度;处理过程无需拆装,去除了重复拆装误差;可满足不同性能磁钢的充磁、退磁处理。新型磁处理系统能够满足石英加速度计力矩器生产需求,显著提高生产效率和测量精度。应用效果表明,该系统稳定可靠,值得推广。
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  壳体精车装夹优化设计

  王彩锋, 侯建, 王长峰, 郭士新, 李迈

  导航与控制. 2020, 19(3): 72-77. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.011

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  壳体为陀螺加速度计的重要结构件,壳体加工精度的提高对保证陀螺加速度计的工作精度十分关键。针对壳体精车内孔产生振纹的问题,在现有弹性夹套的基础上,分别设计了螺钉和半圆瓦式垫片对壳体薄壁部分进行夹紧固定。使用有限元软件ABAQUS对优化的装夹系统进行静力学分析,分析工件受力变形和应力分布情况,并通过车削试验进行对比。结果表明,同时使用螺钉和半圆瓦式垫片装夹工件,壳体内孔的表面粗糙度达到0.36μm~0.39μm,圆柱度达到0.001mm~0.002mm,满足表面质量要求。
测试与计量
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  六自由度平台角位置测量精度方法

  李永强, 卢明涛, 马建明, 邓慰敬

  导航与控制. 2020, 19(3): 78-85. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.012

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  目前,六自由度平台角位置精度的测量大多采用激光跟踪仪等仪器进行,其测量成本高且测试原理及操作过程较为复杂。针对这一问题,提出了一种测量成本低、测试方法及操作较为简单的六自由度平台角位置精度测量方法,其主要包括六自由度平台的角位置测量精度以及角位置测量重复性。应用倾角仪对该平台横滚和俯仰两个方向的精度等进行了测量,使用光电自准直仪配合360多齿分度盘对该平台偏航方向的精度等进行了测量,测量结果表明:该测量方法能够准确快速测量出六自由度平台的角位置测量精度及角位置测量重复性,通过实验测出某Stewart六自由度平台横滚、俯仰及偏航方向的运动范围均为-10°~+10°,角位置测量精度分别达到0.012°、0.009°、0.018°,角位置测量重复性分别达到0.005°、0.007°、0.001°,能够很好地满足六自由度平台的技术指标。
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  基于目标纹理的机器视觉转角检测方法

  魏东辰, 严小军, 惠宏超

  导航与控制. 2020, 19(3): 86-94. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.013

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  目标姿态角度检测系统是确保智能制造设备自动化、智能化的核心部件之一,在智能制造设备中得到了广泛的应用。提出了一种基于目标纹理的机器视觉转角检测算法,该算法通过椭圆聚类提取图像中的感兴趣区域,采用Hough梯度变换寻找感兴趣区域中包含特定纹理特征的区域,结合先验信息对特征区域进行标记、匹配,进而计算出待测物体的滚转角度,算法的运行耗时小于0.5s。采用该算法实现了浮子组件在浮液中的径向滚转角检测,并模拟实际检测环境测试了该算法的精度。测试结果表明,绝对精度小于0.3°,重复性精度小于0.08°,满足实际生产现场对检测精度的要求,解决了人工检测精度低、耗费人力的问题,提升了浮子转角检测的精度和智能程度。
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  导航系统高动态校准火箭橇试验平台研制

  胡兵, 党峰, 王宝林

  导航与控制. 2020, 19(3): 95-99. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.014

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  火箭橇试验是在地面实现导航系统高动态校准的最佳方法。针对国内导航系统校准火箭橇试验尚处在起步阶段且缺乏通用试验设施的现状,提出了构建校准火箭橇试验平台的设想,以提高试验安全性和数据有效性。完成了最高速度2Ma、最大航向过载30g的校准平台研制,详细介绍了结构设计和仿真分析过程,开展了最高速度306m/s、最大过载11g的火箭橇验证试验。试验结果表明:校准平台运行安全、回收可靠、数据全面,能够满足导航系统高动态校准的指标要求。后续将在此平台上开展更高速度的多套、多类型导航系统校准火箭橇试验研究。
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  双轴精密离心机反转台精密姿态调节机构的设计与分析

  吕磊, 赵世鹏, 舒杨

  导航与控制. 2020, 19(3): 100-107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.015

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  双轴精密离心机是惯性导航设备进行精密标定的重要设备,它能够为惯性导航设备提供“0”加速度梯度的离心场。针对双轴精密离心机转台的精密姿态调节机构进行了设计与分析,利用两套同直径的配合球面作为球运动副,并作为主要承受离心场方向和重力场方向作用力的受力部件。利用带有万向节的精密螺杆作为角度姿态精密调节的机构,实现反转台铅垂度姿态的精密调节。经过精度分析,采用细牙螺纹螺杆,可实现反转台所需的铅垂度精度,即±10′。经过受力分析,精密螺杆受力状况良好,最大变形为0.47μm,最大应力为1.1561MPa,球运动副最大变形为6.24μm,最大应力为50.73MPa。因此,所设计的姿态调节机构满足其在双轴精密离心机中的应用。
信息与人工智能
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  一种含风电-电池储能的多场景输电网规划方法

  侍红兵, 胥峥, 陈涛, 彭思敏, 蔡旭

  导航与控制. 2020, 19(3): 108-114. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.016

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  以可再生新能源(如风电、光伏)及化学电池为载体的电源系统已为航天器及电动机等用电客户提供了一种有效供电方式。针对风电的不确定性以及电池储能系统功率双向流动特性,尤其是风电的波动性与间歇性对输电网规划的影响,采用多场景概率法以风电场的风速数据作为划分依据,以风机的切入风速、切出风速以及额定风速的组合区间作为划分区间,利用Monte Carlo方法来计算场景概率,以输电网规划建设成本与过负荷费用最低为目标函数,设计了一种含风电-电池储能的输电网扩展规划模型,并采用遗传算法对规划模型进行求解。最后,以Garver-6节点系统为仿真算例,验证所设计规划方法的有效性。仿真结果表明,接入储能系统后,其输电网规划适应度很小(约为900),可提高系统经济效益。
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  基于气压高度辅助的机载自主完好性监测算法

  陈维娜, 杨忠, 顾姗姗, 王逸之

  导航与控制. 2020, 19(3): 115-121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.03.017

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  卫星接收机自主完好性监测是指根据用户接收机的多余观测值监测用户定位结果的完好性,其目的是在导航过程中检测出发生故障的卫星,并保障导航定位精度。针对卫星接收机自主完好性监测算法可用性不足的问题,结合机载实际导航系统配置,提出了一种基于气压高度表辅助的机载自主完好性监测算法。综合利用卫星导航系统及气压高度表观测信息,建立联合系统的观测模型,推导了基于多解分离的完好性监测及保护级别计算方法。仿真结果表明,相比于传统的接收机自主完好性监测算法,该算法在可见星为5颗时仍能识别故障卫星。该算法具有更好的故障检测能力及可用性,能有效提高卫星导航系统的完好性监测性能,从而保证卫星导航系统的精度和可靠性。