时间、空间及运动的测量原理与时间和空间的理论

本文从分析时间、空间及运动的测量机理出发建立的时间和空间理论。导出了建立在电磁信号单向传递的相对性原理基础上的时空对称的新加里略变换，并证明了麦克斯韦方程对新加里略变换的协变性。阐明了光速不变原理和洛伦兹变换的物理意义和实质。引进了两套自治的速度定义，对应两套自治的变换。讨论了超光速运动的测量机制，相对运动特征出现负值是超光速运动的特征，导出了对应超光速运动的新加里略变换和洛伦兹变换。     

协方差交叉融合的惯性/卫星/雷达组合导航研究

针对卫星导航信号受干扰情况下惯性/卫星组合导航精度下降的问题,在多机协同编队中,提出采用基于协方差交叉融合的卡尔曼滤波器,将雷达相对导航定位结果与惯性/卫星组合导航进行信息融合,提高了多机编队飞行的导航定位精度和可靠性。通过仿真研究表明,在卫星导航信息不可用条件下,基于协方差交叉融合的惯性雷达相对定位算法,能够有效解决惯性导航精度变差的问题,提高多机协同编队的作战性能。     

爱因斯坦光速不变假设的判决性实验检验

爱因斯坦光速不变假设的判决性实验检验是在中国科学院国家授时中心的高精度TWSTT（双向卫星时间传递）设施上完成的。实验检验的原理是基于狭义相对性原理和单程光（电磁）信号同时性定义。检验原理通过对比单程光信号同时性定义和双程光信号同时性定义的测量机制证明：在有相对运动的情况下双程光信号中的“往”和“返”两个单程信号通过的时间是必然不相等的。在本文报告的检验实验中西安临潼观测站和乌鲁木齐观测站的铯原子钟分别通过鑫诺卫星和中卫一号卫星进行双向时间传递。观测数据证明卫星和地面站之间存在1m／s量级的相对速度会造成西安临潼站和乌鲁木齐站之间“往”和“返”两个单程信号通过的时间差在1.5ns量级。观测结果的不确定度在±0.01ns量级。爱因斯坦1905年以定义方式引进的等式,tB-tA=t′A-tB,在有相对运动情况下不成立。     

应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理验证方法

为了验证地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)的成像机理,采用倾斜地球同步轨道(IGSO)北斗导航卫星作为照射源,通过地面接收北斗导航卫星信号和地面反射的回波信号,实现对GEO SAR成像机理的等效性验证。北斗导航卫星具有与GEO SAR卫星相似的轨道,地面接收的信号可以等效成单程传播的GEO SAR回波信号;成像处理采用与GEO SAR相同的合成孔径时间,在合成孔径时间内地面反射的北斗导航卫星信号具有与单程传播的GEO SAR回波信号相似的距离徙动特性和多普勒特性,可实现长合成孔径时间条件下GEO SAR成像机理的验证。通过双基地试验实现了应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理的等效性验证。     

MIMU/CSAC/BDS组合导航微系统的硬件设计

由于传统的卫星导航系统容易受到干扰和遮挡,惯性导航存在误差积累的缺陷。为了提高定位导航授时服务质量,提出一种基于微惯性测量单元(MIMU)、芯片原子钟(CSAC)和北斗卫星导航(BDS)模块的组合导航微系统硬件设计方案,介绍了它们的硬件特征与配置设计,完成了组合导航微系统底层驱动设计。实验表明:组合导航微系统在真实路段跑车试验可以得到准确的位置和速度等信息。此外,组合导航微系统在最大速度为8km/s,最大加速度为50g的高动态仿真环境中,仍能保持较高的导航精度和跟踪性能。     

X射线脉冲星导航原理

X射线脉冲星导航是以脉冲星的X射线辐射信号作为信息输入,经过相应的信号和数据处理,为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供高精度的位置、速度、时间和姿态等导航信息的实现过程。首先提出了基于X射线脉冲星的卫星自主导航的基本框架和实现流程;然后,概述X射线脉冲导航的时空基准,重点研究X射线脉冲星导航定位的测量方程、系统状态方程及其噪声统计特征等数学模型。最后,详细论述卫星自主导航信息处理的鲁棒滤波算法,即经典算法和现代鲁棒滤波算法。从理论方法和工程应用角度,初步论证X射线脉冲星导航的原理可行性和算法可实现性。     

基于IMU配以测量修正的月球软着陆自主导航研究

为了满足安全和准确的月球软着陆过程对高精度轨道确定和预报的需要,针对其中关键的动力下降段,提出了基于IMU(惯性测量单元)配以外部速度和距离测量修正的自主导航方法。为了消除初始导航误差和IMU测量误差,给出了利用速度/距离、速度与距离修正的IMU导航方法。利用惯性导航给出的参考轨迹,对状态方程和观测方程进行了线性化,基于线性化的模型和观测量的性质,分析了速度/距离、速度与距离修正的IMU导航系统的可观性。最后,通过数学仿真验证了自主导航的可行性和可观性分析结论。     

卫星信号缺失情况下GPS/SINS组合导航系统研究

针对GPS/SINS组合导航在复杂环境中出现的卫星信号不全情况,在分析SINS误差模型的基础上建立了组合导航的松组合和紧组合模型,采用无迹卡尔曼滤波对两种组合模式进行仿真实验.仿真结果显示,在卫星信号正常情况下,紧组合的导航精度高于松组合;在卫星信号缺失时,松组合转变为单纯的惯性导航,导航误差随时间积累,紧组合虽然误差增大,但在一定时间内仍能提供精确导航信息,提高了GPS/SINS组合导航适应复杂环境的能力.     

基于DSP的微型捷联惯导系统设计

主要讨论微小型惯性导航系统的工程设计问题。以微机电惯性测量元件(MEMS-IMU)为惯性传感器,以数字信号处理器(DSP)为核心作为导航计算机,设计构造了一种微小型捷联惯性导航系统。给出了系统的硬件结构框图和程序设计流程图,并讨论了DSP软件设计和调试中的一些问题。利用本方案,对于实现军事和工程领域中导航系统微小型化、降低系统成本和体积具有重要意义。     

一种月球车惯性/视觉组合导航方法研究

基于月球车主要依靠惯性导航和视觉导航的现状,设计了一种惯性/视觉组合导航方法。该方法根据惯性导航原理建立月面环境下的位置、速度和姿态误差方程,并利用惯导前后时刻的观测值计算相对运动参数,基于该参数与视觉导航相对运动观测值之差建立量测模型。该差值只与当前时刻惯导误差相关,避免了对状态的增广。针对量测噪声未知的问题,采用自适应卡尔曼滤波对量测噪声进行在线估计。仿真结果表明,该组合导航方法能提高定位精度以及横滚角、俯仰角精度,减小误差漂移,是一种有效的月球车自主导航方法。     

捷联惯导/星敏感器组合导航技术研究

针对在捷联惯导系统中陀螺的误差存在随着时间积累而逐渐增大的缺点,提出了捷联惯导系统+星敏感器的组合导航方案,并进行了仿真及结果分析。以Kalman滤波为基础,通过将捷联惯导系统和CCD光学传感器所测得的飞行器相关姿态信息进行数据融合,估计出组合导航系统的误差状态量,进而修正捷联惯导系统的位置、速度和姿态角。详细推导了捷联惯导+星敏感器组合导航的算法,并通过对仿真结果的分析证实了该方案的可行性和算法的有效性。     

一种小型弹载混合式光纤惯导系统设计

为解决混合式惯导在小型弹载惯导系统的应用问题，在论述混合式惯导技术特点的基础上，提出小型弹载混合式惯导系统所涉及的三项关键技术：小型化设计技术，抗振动高可靠锁紧技术和基于降维Kalman滤波的抗扰动自标定技术。重点对第三项技术提出具体的技术方案和实现途径。在建立惯导误差模型的基础上，根据姿态精度因子(ADOP)可观测度设计出混合式惯导系统的自标定流程，进行了卡尔曼滤波的降维处理和抗干扰观测量设计。开展了原理样机的标定试验、力学环境试验和导航精度试验工作，试验结果校验了技术方案的可行性和自标定算法的正确性，为其在小型战术导弹中的应用提供了工程借鉴。     

高超声速飞行器发射坐标系导航算法

针对高超声速飞行器弹道特点和导航参数的需求，提出基于发射坐标系(LCEF)的高超声速飞行器导航算法。首先，介绍发射坐标系下捷联惯导(SINS)算法编排，推导发射坐标系下姿态、速度和位置离散递推方程。然后，介绍地心地固系(ECEF)下的卫星位置和速度转换到发射坐标系的方法，推导发射坐标系的SINS/BDS组合导航滤波器状态方程和量测方程。最后，以助推-滑翔飞行器为对象，进行了发射坐标系下组合导航仿真，位置精度小于10 m，速度精度小于0.2 m/s。     

导航卫星系统与经济发展

介绍了导航卫星系统及其发展,并探讨了导航卫星系统及其应用对经济发展的影响,提出了发展我国导航卫星系统的建议。     

一种新的SINS动基座误差模型及其应用研究

研究了一种新的捷联惯导系统（SINS）动基座误差模型及载体动基座对准时的最优机动方式问题。提出利用李雅普诺夫变换建立了一种易于进行分析的SINS动基座误差模型，同时论证了SINS与平台式惯导系统（GINS）模型的等价关系。应用分段定常系统可观测性分析理论和奇异值分析法，深入研究和详细分析了载体的不同机动方式对SINS可观测性的影响，定量地得到了各种机动方式下系统状态的可观测度。研究结果表明，在SINS动基座对准过程中，同时改变俯仰角、横滚角和航向角的俯冲转弯横滚角变化是一种最佳的机动方式，计算机仿真结果验证了该机动方式的有效性。这为进行SINS动基座快速精确对准方法研究提供了理论参考。     

半球谐振陀螺旋转惯导系统误差抑制机理研究

为了优化半球谐振陀螺旋转惯导系统设计、合理分配系统误差,本文分别从局部和全局角度出发,系统分析了旋转惯导系统在静基座条件下的误差传播规律。利用局部分析法讨论了旋转对惯性器件常值误差、标度因数误差以及安装误差的抑制情况,讨论了调制速度与陀螺仪标度因数误差、安装误差耦合所产生误差的特点,给出了组建旋转惯导系统时惯性元件的选择准则;利用全局分析法推导了多误差源同时激励下旋转惯导系统的误差传播模型,得到了导航误差的时域解析表达式。最后通过仿真验证了理论分析的正确性。研究结果为半球谐振陀螺旋转惯导系统的工程设计、改进提供一定的理论支持。     

卫星/INS组合导航仿真平台结构与仿真模型研究

建立卫星/INS组合导航仿真平台可以先行对结构设计、相关算法和精度分析验证提供支持,是优化设计指标和加快开发周期的有效途径。本文根据卫星/INS组合导航系统的特点,利用面向对象技术进行模块分解,设计了一种扩展性好的卫星/INS组合导航仿真平台结构。并提出了与此平台构建相关的关键仿真模型。另外,还提出了一种从数值上对卫星轨道根数进行仿真的方法,避免了直接由动力学模型来计算卫星轨道根数的复杂性,简化了卫星轨道根数的仿真。     

基于绝对速度测量计的自主导航探讨

对用激光原理进行绝对速度测量和由它实现自主导航的概念进行了探讨。利用3个陀螺仪和3个激光测速计按直角坐标方式配置,即可组成基于绝对速度测量计的捷联式惯性测量组合。这种方法的优点是简化计算和有利于提高精度。     

卫星导航系统及其在空天安全中的重要作用

简要介绍了美国"全球定位系统"(GPS)、俄罗斯"全球导航卫星系统"(GLONASS)和欧洲正在建设的"伽利略"(Galileo)卫星导航系统的发展及其基本发展态势.详细介绍了中国自主建设的"北斗"(COMPASS)卫星导航系统的发展思路、系统组成和应用情况.分析总结了卫星导航系统在空天安全中的几项重要作用,如实现协同...