光笔式无导轨三坐标测量系统的研究

提出一种非正交系统(俗称无机械导轨),利用位置敏感探测器PSD交汇成像实现三坐标测量,其测量头为一支带有点光源的笔,故称“光笔式无导轨三坐标测量系统”。文章阐述了该系统的结构设计理论及测量原理。     

利用X射线的中间弹道测量技术

在火炮射击试验中,中间弹道测量的目的是研究后效期内火药气体所产生的初始扰动对射弹散布和射击准确度的影响。目前中间弹道测量技术是火炮射击试验的薄弱环节,也是须研究的重要课题。采用变象管X射线阴影摄影技术,可测量中间弹道和弹丸的姿态。 本文着重描述了采用X射线进行中间弹道测量的基本原理,介绍了试验装置,给出了测试结果,作了综合分析并提出了改进意见。     

攻角纸靶测量技术

本文较为详细地介绍了利用攻角纸靶技术获取弹丸飞行姿态和弹丸空气动力参数的方法,给出了数学模型,并简述了这种技术的测量精度及优缺点。     

基于PSD的模型姿态角和振动测量技术原理性研究

为了适应风洞发展的需要,满足风洞测量技术精细化、多样化的要求,开展了基于位置敏感器件（PSD）技术的模型姿态角测量系统的原理性研究。对PSD探测头进行了详细设计,完成了姿态角测量试验平台和数据采集处理系统,并开展了初步的测量试验。通过原理性试验证明,测量系统的测量范围为-10°～10°,测量准确度为0.036°,测量精度为0.016°。还对系统应用于振动的测量进行了原理性的研究,获得了初步的研究数据。随着进一步的细化和精确度的进一步提高,基于PSD技术的模型姿态角测量系统在风洞模型的姿态和振动测量、姿态角测量机构的标定和检定、视频测量系统的相互验证等领域具有非常大的应用潜力。     

月球探测器姿态大角度机动的反作用轮控制

研究了月球探测器转速与控制力矩受限的姿态大角度机动问题。根据时间变尺度思想，提出了双回路反馈的姿态大角度机动控制方法。以某型月球控测器为例，对该方法进行了仿真验证。结果表明，利用该控制方法，可使探测器以期望的角速度转动，从而完成探测器的姿态大角度机动。     

弹丸脉冲侧喷力俯仰调姿试验与仿真研究

为了解某地面垂直发射弹丸在不同直接力控制系统（RCS）输出条件下的俯仰调姿运动情况，分别采用试验与仿真的方法进行了研究。首先，设计了用于弹丸调姿试验的脉冲侧向推力器、地面发射装置以及同步测试系统，利用高速摄像机测量了弹丸在不同推力器装药量和点火间隔时间情况下的调姿运动情况，并指出这两个参量是决定弹丸最终姿态角的主要因素，需要根据目标姿态角进行合理地搭配。然后，建立了考虑脉冲侧向推力器内弹道过程的弹丸调姿运动模型，并与试验结果进行了对比，验证了仿真模型的预测误差在5%以内。随后，利用仿真模型分析了不同推力器装药量时脉冲推力的变化情况，指出装药量对脉冲推力的变化规律有重要影响，需要与弹丸运动耦合计算以获得更高的精度。最后，对不同推力器装药量时弹丸调整到各目标姿态角所需的点火间隔时间进行了计算，为进一步的研究提供了数据参考。     

月球巡视探测器自主定向算法研究

月球巡视探测器自主导航是其能在月面执行探测任务的关键,而定向又是月球巡视探测器自主导航的一个重要组成部分,其定向精度将直接影响到月球巡视探测器定位性能。将CCD(ChargeCoupleDevice)太阳敏感器应用到月球巡视探测器上,用太阳敏感器测量太阳位置矢量,结合加速度计测量的重力矢量,利用QUEST算法推算了月球巡视探测器的姿态和航向,为月球巡视探测器构建了一套适用于长时间、长距离导航的绝对定向方案,通过理论分析和实际推算描述了该定向方案的具体实现过程,最后以仿真结果验证了该方案的可行性,为下一步月球巡视探测器定位研究提供了技术参考。     

地炮弹丸攻角靶场测量精度要求的探讨

本文在论证比对基础上选取了弹丸气动参数辩识模型及弹道研究模型,并以某155mm榴弹为例,研究了弹丸气动参数、攻角姿态及其测量误差对弹道特性与射表精度的影响,进行了大量对比计算和分析,据此对纸靶、大阳方位角传感器等攻角测量系统初步提出了较明确的测量精度要求。     

地炮弹丸攻角靶场测量精度要求的探讨

本文在论证比对基础上选取了弹丸气动参数辨识模型及弹道研究模型，并以某１５５ｍｍ榴弹为例，研究弹丸气动参数，攻角姿态及其测量误差对弹道特性与射表精度的影响，进行了大量对比计算和分析，据此对纸靶、太阳方位角传感器等攻角测量系统初步提出了较明确的测量度要求。     

空间载荷中利用调制光源去除PSD背景光影响的方法

针对用于精密位移测量的位置敏感探测器(PSD)敏感度高、易受背景光影响的问题,设计了利用开关光源去除背景光的PSD位置测量系统。该系统将光源调制为脉冲光,使用数字信号处理器(DSP)在PSD响应信号的高电平和低电平处分别进行采样,高电平处为光源和背景光叠加产生的信号,低电平处为背景光产生的信号,两信号相减即可去除背景光的干扰。在实际系统中利用专用调理电路转换放大PSD电流信号,通过高精度A/D采集后发送给DSP进行数据处理和坐标运算;在采集完一定样本数量的数据后,通过最小二乘法对试验数据进行线性标定,以减少线性误差。利用上述方法在背景光条件下分别进行了精度和线性度测试,试验结果表明,在背景光存在的条件下,该系统的测量精度可以由100μm提升到15μm,平均线性误差可以控制到13μm,采样周期最小为2 ms;在保证精度、速率和线性误差的同时有效消除了背景光的影响。     

星敏感器在轨光行差修正方法研究

星敏感器作为目前航天器中最重要的姿态测量敏感器,其精度直接影响航天器姿态测量精度,因此对其误差源进行分析和修正则尤为重要。提出了一种星敏感器在轨光行差修正方法,根据光行差产生的原理和特点,将星敏感器沿探测器X和Y方向产生的光行差误差角巧妙地转换为光行差误差四元数,并直接对输出四元数进行修正,从而为修正星敏感器光行差提供了一种方便简洁的方法。     

利用姿态测量数据确定卫星初始轨道

提出了一种利用姿态测量数据确定卫星初始轨道的新方法。姿态确定后,根据卫星姿态与位置函数的关系,可确定位置矢量的方向数。采用三个不同时刻的测量值,根据飞行时间定理和几何约束条件,得到卫星轨道的解析方程。利用微分校正法解方程即可得卫星轨道参数,最后对卫星多种姿态及飞行轨道进行了仿真计算,结果显示迭代算法收敛,证明此方法是可行的。     

移相干涉技术用于运动姿态精密测量

针对测量系统运动中姿态测量的需求,提出了一种利用移相干涉技术测量角度的方法来实现运动姿态的准确测量。建立了由组合式移相干涉仪为主的三轴转角实验装置,该装置测量角度的分辨力优于0.006″。采用实验装置对微位移工作台运动过程中的姿态变化进行了测量,得到了工作台移动中绕三轴转角变化的测量结果,并利用激光小角度干涉仪进行了相关测量点的对比实验,数据最大偏差0.03″。实验结果验证了利用移相干涉测角法可以实现运动中姿态的精确测量。     

激光光斑形状及入射角对PSD位置输出影响的研究

位置敏感探测器（PSD）探测的是光斑能量的重心位置,通常利用半导体激光器作为PSD位置探测的光源。半导体激光器的光源存在衍射现象,入射角度的变化会引起光斑能量重心的变化,从而导致PSD输出特性的变化。本文通过计算得出圆光斑和＂十＂字形光斑的能量分布,光阑半径越小,光波长越长,衍射现象越明显,对PSD的输出影响越大。通过分析入射角变化对PSD输出特性的影响得出：入射光线在PSD敏感面垂直位置附近发生小角度变化时,重心的偏移会很微小,对PSD的输出特性影响较小。     

一种圆锥扫描红外地球敏感器电机恒速控制系统

圆锥扫描红外地球敏感器通过其扫描机构的旋转获得地平穿越信息,来进行卫星对地姿态测量。扫描电机采用无刷直流电机(BLDCM),电机转速的波动性会影响圆锥扫描红外地球敏感器的精度。与传统电机控制电路进行对比,采用了基于FPGA的无刷直流电机恒速控制系统,提出了一种双路PID控制算法。通过仿真和实验,该控制系统实现了对电机转速高精度和高可靠性的控制,抑制了电机转速的波动性。     

基于载体姿态测量的微伺服吊舱

针对微小型无人机光电吊舱对光轴稳定与目标跟踪的需求,研究了一种基于载体姿态测量的光学平台稳定技术.该技术利用吊舱基座上的速率陀螺测量机体三轴姿态运动,通过控制光学平台的俯仰和偏航两通道伺服系统实现对光轴的惯性空间稳定.该系统使用步进电机来当执行机构,根据步进电机的特性,可以推导得到控制量与转速的关系,由此省去了在一般捷联稳定技术中的微分测速环节,得出了一种新的基于前馈控制的不变性原理.设计了解耦指令分配算法,将一个两轴耦合系统,转换为两个独立的单轴系统.在单轴控制中,分别设计了比例控制及比例积分控制算法实现对光轴的稳定控制和跟踪.最后通过在Matlab/Simulink环境下的仿真,以及实际的摇摆台试验,证明了基于载体姿态测量的稳定技术能够实现微小型无人机光电吊舱的光轴稳定.     

自主姿态测量最优算法研究

针对利用地球重力场和磁场矢量观测进行自主姿态测量的应用问题,提出了一种新的最优递推估计算法。该算法采用卡尔曼滤波框架,利用加权统计线性回归并结合自适应滤波技术进行测量更新,与现有方法相比,在提高测量精度的同时,增加了同步提供姿态速率信息的功能。仿真结果表明,新算法的姿态估计精度比目前常用的直接计算方法提高近两倍。     

载人月球探测器着陆缓冲机构构型方案研究

针对铝蜂窝缓冲器永久变形不利于探测器姿态调整的问题,提出了一种悬臂式着陆缓冲机构构型方案,采用丝杠滑块装置实现探测器姿态调整、着陆腿展开和收拢等功能,并开展了该机构参数设计和载荷分析。通过建立动力学模型,进行了着陆及姿态调整动力学仿真计算,验证了构型尺寸与载荷参数正确性。可为后续载人月球探测的着陆缓冲机构方案设计提供参考。     

利用Singer模型的无陀螺姿态和角速度估计

 给出了一种利用Singer跟踪模型的扩展卡尔曼滤波器 (ExtendedKalmanFilter) ,用于无陀螺姿态和姿态角速度估计。在滤波器中 ,姿态和姿态误差分别由姿态四元数和误差四元数表示 ,而姿态角加速度由一阶Markov过程描述 ,从而避免采用姿态动力学模型。利用数值仿真计算验证了滤波器的性能。在所有的仿真过程 ,滤波器显示出快速收敛能力。稳态估计误差主要由测量更新频率和精度决定。     

用于航天器姿态确定的卡尔曼滤波

一、引言这篇报告回顾了过去二十年中卡尔曼滤波在姿态确定中的应用及发展,这一回顾不是面面俱到,而只限于适合于配有三轴陀螺仪及姿态传感器的航天器姿态的算法。我们认为这一种航天器系统是最适合于使用卡尔曼滤波的。卡尔曼滤波器使用了系统随时间变化的动态模型以及这样一种传感器测量模型,即基于当前以及以前的测量值利用线性估计器而获得系统状态的最高精度估计的测量模型。因此,从