静电悬浮加速度计的地面测试与评定方法综述

本综述将静电悬浮加速度计性能指标项目归为五类,阐述了它们与需求的关系,强调了采样率为10SPS、相应的闭环传递函数带宽为3Hz的必要性。指出实验室标定会受到环境振动噪声的干扰,通常的标定方法均不适用,静态标定的首要困难在于准确测定失准角;用专用摆台作动态标定可以大致判断标度因数并观察两台加速度计模型方程各参数的一致性;为了在专用摆台上进行各项性能测试,加速度计检验质量需要在地面重力下悬浮;落塔试验的功用有限,并非加速度计性能指标的量化评定试验;射前检验加速度计噪声采用分析证实的方法,为了降低噪声,必须依靠详尽的理论分析和实验验证,一一找出各种影响因素及其影响程度,采取有力措施,切实加以改进。
     

基于双回路扩展卡尔曼滤波的惯性平台连续自标定

为解决传统的惯性平台连续自标定中,由于系统非线性强、状态向量维数大引起的滤波收敛速度慢、对滤波初始条件敏感等问题,研究了一种双回路扩展卡尔曼滤波方法。首先给出了平台连续自标定的误差模型;然后根据加速度计误差与导航误差之间的关系,对加速度计输出进行预滤波得到加速度计输出误差;同时通过分析陀螺仪误差在平台连续自标定过程中的传播特性,将耦合在加速度计输出误差中的陀螺仪误差解耦;最后以陀螺仪误差和加速度计输出为观测量,建立了陀螺仪和加速度计的扩展卡尔曼滤波方程,分别对陀螺仪和加速度计误差系数进行标定,实现双回路扩展卡尔曼滤波。仿真结果表明,该方法能够在900 s内以低于0.05%的相对误差标定出所有的平台误差系数,并且对滤波初始条件不敏感,可以有效地扩展连续自标定方法的实际应用。     

精密离心机误差对石英加速度计误差标定精度分析

分析了离心机各个误差源,用齐次变换法精确地计算了产生的向心加速度,给出了向心加速度、重力加速度和哥氏加速度在加速度计坐标系下的分量,推导了被试加速度计输入加速度的精确表达式。在给出石英摆式加速度计在精密离心机上标定时的误差模型的基础上,着重讨论了误差模型系数的计算值与离心机误差之间的关系。根据仿真结果找出了某些离心机误差对加速度计误差系数标定的影响关系,为按照加速度计的标定精度来确定离心机的精度打下了理论基础。     

一种重力测量卫星静电加速度计在轨标定算法

静电加速度计是低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星的关键载荷之一,其性能直接影响地球重力场空间变化率的测定结果。为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合扩展卡尔曼滤波估计算法,提出了一种应用动力学方法确定静电加速度计校准参数的算法。首先建立静电加速度计及K频段测距(KBR)系统的量测模型;然后将高精度地球重力场模型和静电加速度计观测数据代入扩展卡尔曼滤波算法的状态方程中,将KBR系统观测数据代入观测方程中,建立静电加速度计在轨标定模型。数学仿真结果表明:静电加速度计的标度因子和零偏估计误差均在0.2%以内,实现了卫星静电加速度计较为精确的标定。     

惯导平台误差快速自标定方法研究

针对惯导平台误差系数标定问题提出了一种平台连续旋转条件下的误差系数自主标定方法.建立了基于框架角动力学方程的平台连续翻滚模型,平台旋转时,系统的框架角和加速度计输出包含了陀螺仪、加速度计的全部误差.利用李导数及输出灵敏度理论全面分析了连续翻滚路径下惯导系统的可观测性.提出了一种结合传统多位置试验的平台连续翻滚自标定方案.仿真结果表明该方案可以在较短的时间内完成平台系统误差系数的高精度标定.     

基于LM算法的相对测量相机非线性标定技术

针对相机标定中两步法的非线性优化问题,提出了基于Levenberg-Marquardt(LM)算法的相机非线性标定方法。用直接线性变换法求得相机线性模型内外参数作为初值,用LM算法计算非线性模型内外参数的精确解。实验结果表明该法能提高标定精度,且迭代速度较快。     

加速度计二次奇异项系数的形成机理与标定方法

讨论了加速度计二次奇异项系数koq的形成机理及标定方法.分析表明,在离心机上进行加速度计标定时,离心机转臂的拉伸、加速度计敏感质量的偏移、离心机主轴的圆锥运动、主轴的速率平稳性、以及脉冲捕获式加速度计的发热等都会引入附加的二次奇异项系数koq并且证明了加速度计进行离心机试验时,如果不引入koq系数或不补偿相应的误差源,将对k3和k10等系数的标定精度产生影响.在误差模型中加上这一项,有助于提高加速度计的标定精度,从而提高导航精度.但是在加速度计实际应用中,对koq的补偿并不是必须的.     

陀螺加速度计误差模型系数离心机测试方法研究

提出了一种在带有反转平台的精密离心机上标定陀螺加速度计误差模型系数的方法。阐述了其测试原理，指出这种带反转平台的测试原理改善了陀螺加速度计离心机测试的环境条件。所提出的测试方案和辨识方法解决了陀螺加速度计在精密离心机上进行高g测试时，受到离心机大臂旋转牵连运动影响的关键问题，并提出分离和精确标定陀螺加速度计误差模型系数的数据处理方法，解决了反转平台引入后造成的正弦输入问题。     

贮箱内推进剂微重力下晃动的有限元模拟及试验

采用有限体积(VOF)法 任意拉格朗日．欧拉(ALE)法，建立分析液体火箭贮箱内推进剂大幅晃动的数学模型，给出了计算的基本方程。对常重力和低重力下不同形状贮箱内推进剂的非线性晃动进行了数值模拟，并用落塔法进行了微重力下贮箱内液体晃动试验。结果表明，数值模拟法与落体试验的结果相近，在工程上有一定的实用价值。     

捷联惯导系统内杆臂补偿方法及试验验证

在实际捷联惯组中,三只加速度计的比力测量对应于不同的点位置,如果直接作为捷联惯导算法的输入,角运动条件下会引起导航误差。对于加速度计非正交安装情形,在常规静态标定模型基础上,推导了考虑内杆臂效应后的动态标定模型。以导航速度为观测量,建立了加计组合内杆臂补偿的一般模型方程。针对激光捷联惯性组合,设计了简便的试验方法用于辨识内杆臂参数,高强度的摇摆试验表明内杆臂补偿有效地提高了导航精度,速度误差降低达77%以上。       

捷联惯导系统中加速度计的时延补偿研究

In view of the phase shift characteristic inconsisteny between gyros and accelerometers in actual SINS (Strapdown Inertial Navigation System), it’s found that non synchronization velocity errors are considerable under SINS angular motion. Through SINS systemic test, a simple and convenient way to identify the accelerometer time delay parameter is proposed. In this way, a rolling test in gravity fields is designed and the relations between accelerometer time delay parameter and the system’s velocity error are obtained. Moreover, two kinds of methods for non synchronization velocity error compensation are given: one is the time delay extrapolation based on the transfer function model of accelerometer and the other is the velocity error direct compensation based on SINS velocity update algorithm. Finally, by using fiber optic gyro SINS, some experiments are carried out and the results verify that the navigation system’s accuracy is improved effectively and the theoretical analysis is correct.     

Microscope in orbit calibration procedure for a test of the equivalence principle at 10(-15)

The scientific objectives of the MICROSCOPE space mission impose a very fine calibration of the on-board accelerometers. However the required performance cannot be achieved on ground because of the presence of high disturbing sources. On-board the CHAMP satellite, accelerometers similar in the concept to the MICROSCOPE instrument, have already flown and analysis of the provided data then allowed to characterise the vibration environment at low altitude as well as the fluctuation of the drag. The requirements of the in-orbit calibration procedure for the MICROSCOPE instrument are demonstrated by modelling the expected applied acceleration signals with the developed analytic model of the mission. The proposed approach exploits the drag-free system of the satellite and the sensitivity of the accelerometers. A specific simulator of the attitude control system of the satellite has been developed and tests of the proposed solution are performed using nominal conditions or disturbing conditions as observed during the CHAMP mission.     

高精度惯性平台连续自标定自对准技术

提出了一种新的惯导误差系数标定方法——连续自标定自对准方法。利用外部参考力矩驱动平台按照一定角速度旋转，在平台加矩角速度、地球自转角速度和重力加速度的影响下，惯导平台的加速度表输出包含陀螺误差系数、加速度表误差系数、平台对准误差以及陀螺和加速度表的安装误差等全部误差信息，并由此得到平台失准角动态方程与加速度表的输出方程。在设计的平台连续旋转轨迹下，使用迭代Kalman滤波获得了全部平台误差系数的精确估计。与传统的多位置翻滚标定方法相比，该方法标定时间短，标定精度高，系统误差参数估值具有良好的收敛性。     

九加速度计NGMIMU实用设计方案

无陀螺微惯性测量单元（NGMIMU）的九加速度计配置方案是该系统所有方案中运算量最小、最适合实时运算的。该方案要求若干加速度计安放在同一点上，但加速度计本身有体积，而且相对于实用载体而言其体积是巨大的，故导致巨大的系统误差。本文根据NGMIMU算法和加速度计特性提出一种全新的实用算法。该算法在要求加速度计安装满足一定条件的基础上，将多个加速度计进行分组计算，在没有增加任何计算量的情况下，从原理上消除了由于加速度计体积带来的误差。九加速度计NGMIMU实验结果显示，应用该算法测量误差小于8％，证明了该算法的正确性。     

基于DSP和FPGA的静电悬浮加速度计控制器设计

针对静电悬浮加速度计高稳定悬浮控制和极微小加速度信号处理需求，设计了一种基于数字信号处理（digital signal processor,DSP)和现场可编程门阵列（field programmable gate array,FPGA)的加速度计控制器。该控制器采用DSP作为主控芯片，FPGA为辅助控制芯片。基于加速度计的工作特性，设计了一种加速度计工作模式切换控制策略，可根据加速度计当前工作状态，自动或者手动切换工作模式。基于加速度计的工作原理和测量需求，设计开发了基于FPGA的比例、积分、微分(proportional integral derivative,PID)控制算法和有限冲击响应(finite impulse response,FIR)滤波算法。为验证该控制器的控制性能，开展了地面高压悬浮实验。结果表明，该控制器及控制算法可以快速准确地实现加速度计稳定悬浮控制和模式切换，并且可以实现软件在轨重构和控制参数在轨更新，为后续重力场探测、空间引力波探测以及自主导航等提供了工程参考依据。     

月球探测器LP精密定轨及月球重力场模型解算

对美国1998年发射的月球探测器LP任务阶段共19个月的双程测距测速轨道跟踪数据进行了精密定轨,对定轨结果通过轨道残差及重复弧段差异进行了精度评价。利用LP正常任务阶段三个月的轨道跟踪数据进行了月球重力场模型解算,通过重力场功率谱、轨道残差和月球自由空气重力异常对解算模型进行了精度评价。结果表明精密定轨及月球重力场模型解算合理。对进一步融合嫦娥一号轨道跟踪数据和LP数据解算自主的高精度月球重力场模型具有参考意义。
　
     

Function-morphological investigations of fish inner ear otoliths as basis for interpretation of human space sickness

In man, altered gravity may lead to a vestibular dysfunction causing space motion sickness. A hypothesis was developed, according to which asymmetric inner ear statoliths might be the morphological basis of space sickness. The animal model, fish, revealed further information: inner ear "stone" (otolith) growth is dependent on the amplitude and the direction of gravity, regulated by a negative feedback mechanism. The present study was focused on the question, where the regulation centre of adaptive otolith growth may be situated. Therefore, the vestibular nerve was unilaterally transected in neonate swordtail fish (Xiphophorus helleri). As growth marker, the calcium tracer alizarin-complexone was used. It was found that otolith growth had ceased on the operated head sides indicating that the brain is significantly involved in regulating otolith growth. About 2 weeks after nerve transection, otoliths had regained normal growth, probably due to nerve regeneration. Concerning fish, it has now to be tested, if this regeneration is affected by altered gravity, e.g. in a long-term experiment on the International Space Station. Regarding mammals, it has to be proved if asymmetric statoliths are the basis of kinetosis and whether or not the mammalian brain has an effect on statolith growth in the course of compensating altered gravity.