地磁测量卫星的矢量磁场在轨标定算法仿真

以SWARM为代表的高精度地磁测量卫星对地球磁场探测精度经过标定之后优于0.5 nT,对于开展地磁科学研究具有重要意义。地磁测量卫星通过安装在伸展杆上的矢量磁通门磁强计、标量磁强计和高精度星敏感器,获取测量方向的惯性空间姿态的地磁信息,其中高精度标量磁强计主要用于对磁通门矢量磁强计进行标定。针对地磁测量卫星,研究了矢量磁强计在轨测量误差的校正方法。考虑到矢量磁强计非正交角、标度因子以及偏差的影响,建立磁场矢量线性输出模型;结合标量磁强计的测量值分别设计基于小量近似的线性校正算法和基于参数辨识更新的非线性校正算法;校验两种算法的标定精度,并通过Tukey权重函数改善算法的鲁棒性。仿真结果表明,两种算法校正结果相似,磁场三轴误差可校正至0.5 nT以内,在标量磁强计存在异常值时仍具有较好的校正效果。      

基于绝对磁场测量的磁通门磁强计在轨标定方法

卫星在轨进行磁场测绘及监测时,需要高精度的磁场值,但由于磁通门磁强计三轴非正交性以及零点漂移所引起的误差大大降低了磁强计的测量精度,因而有必要对此进行校正.本文利用绝对标量磁强计,采用一种改进的最小二乘标定算法,通过不断迭代实现对磁通门三轴正交性和零点漂移的修正.结果表明,在考虑了磁强计本身噪声水平的实际情况下,磁通门磁强计的误差可由100nT左右修正到0.2nT以内.该算法为卫星在轨高精度磁场测量提供了一种可行的方法.      

电磁监测试验卫星矢量磁场探测方法

电磁监测试验卫星是中国第一颗近地轨道电磁场科学探测试验卫星, 探测空间背景磁场是其重要任务之一. 空间背景磁场探测需要在卫星平台上对空间矢量磁场进行长期稳定准确探测, 电磁监测试验卫星采用磁通门磁强计和基于CPT效应的绝对磁场校准装置(Coupled Dark State Magnetometer, CDSM)分别探测空间相对矢量磁场以及绝对标量磁场, 通过数据处理, 使最终的矢量磁场探测数据具有准确性. 这种数据处理方法在理想模型下拥有解析解, 实施过程中载荷的噪声、 准确度及稳定性影响模型的准确性, 会产生数据校准误差. 通过对在轨磁场探测的模拟确定了这种数据处理方法的性能, 验证了在载荷设计性能的基础上电磁监测试验卫星的磁场探测可以实现1 nT的准确度.      

基于矢量磁强计的磁场梯度张量仪误差校正方法

卫星在轨运行时，本体会产生一定的磁干扰，一般通过伸杆将传感器远离卫星本体安装，或者通过多个磁场传感器测量磁场梯度的方法来消除卫星本体的磁干扰.使用磁场梯度张量仪测量磁场梯度时，张量仪本身的构型会给测量带来误差.通过对5种主要的张量仪构型进行误差仿真，对比5种构型的张量测量误差，发现十字形构型张量仪的测量误差最小.除了构型带来的误差，张量仪的主要测量误差还包括组成张量仪的三轴磁强计本身的误差和非对准误差.本文使用椭球拟合算法对磁强计本身的误差进行校正，校正后磁强计测量总场的均方根误差为0.864nT.针对张量仪的非对准误差，提出了正交系间非对准误差的校正方法.仿真结果表明，校正后的非对准角度误差≤3.2×10-5 rad，能够很好地降低张量仪的非对准误差.      

基于双层协方差矩阵重构的稳健波束形成算法

针对协方差矩阵含目标信号分量及目标导向矢量失配情况下，传统自适应波束形成器性能急剧下降的问题，提出了干扰加噪声协方差矩阵双层重构的稳健波束形成算法。首先，利用稀疏重构的方法预估干扰加噪声协方差矩阵，通过估计干扰导向矢量及干扰功率对干扰加噪声协方差矩阵进行优化校正；然后，基于子空间理论建立导向矢量约束误差优化模型，利用迭代方法对凸优化模型进行求解，得到最优权值向量。仿真结果表明:所提算法显著提高了波束形成器在目标导向矢量约束误差及阵列误差情况下的稳健性，低快拍条件下表现较好，输出性能优于仿真对比算法。      

磁通门磁强计校准装置研究

本文介绍了磁通门磁强计校准装置的系统组成，包括大开口大均匀区的三轴磁场线圈、磁场线圈非均匀性的补偿方法、三轴磁场线圈非正交性补偿方法、串并联组合磁场线圈分流电路等，分析了校准装置的测量不确定度主要来源，给出了验证结果。该装置可开展磁通门磁强计（含传感器）示值误差、线性度、正交度等参数的校准，其成果已应用于十多家单位的磁场测试系统和数十家单位的磁通门磁强计校准。     

应用于毫米波反射计的多项式校准方法

为了在毫米波波段准确测量波导器件的反射系数,提出了一种应用在反射系数测试前端(反射计)中的校准方法.该校准方法采用基于多项式的误差模型,使得每一个误差项的求解都转化成一个求解轨迹圆圆心的问题,同时不影响求解精度.采用一个滑动负载、一个滑动短路和一个短路器,在毫米波波段降低了对标准件理想程度的要求.实验中搭建了一个Ka波段的反射计,图解误差项的求解过程,分析了误差项的物理意义.把校准后的测量结果与商用矢量网络分析仪(VNA,Vector Network Analyzer)进行比较,吻合较好.同样比较了一组W波段反射计对波纹喇叭的测量结果,进一步验证了方法的合理性.      

基于全相位FFT的感应式磁力仪频谱校正方法研究

基于法拉第电磁感应定律的感应式磁力仪是用于测量低频磁场的空间探测仪器,常具有在轨FFT频谱分析功能,直接获得波动磁场的频率及幅度等信息.利用FFT方法对截断信号进行计算时,整周期采样会产生频谱泄露和栅栏效应,频谱信息产生偏差,而影响实时监测磁场变化的准确性.全相位FFT与常规FFT相比,有相位不变性和良好的抑制频谱泄露能力.采用基于全相位FFT的时移相位差方法(apFFT/apFFT)校正在研的某卫星感应式磁力仪直接采集的波形数据.仿真和实验结果表明,apFFT/apFFT方法可有效提高感应式磁力仪低频磁场测量的频谱准确性.研究工作为提高感应式磁力仪科学数据的应用水平奠定了基础,为下一代星载感应式磁力仪在轨频谱分析提供了一种可能的新方法.      

基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法

为了提高惯性/天文组合导航系统在高动态条件下的导航精度,提出了一种基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法.该算法将载体的旋转和平移统一起来,使用螺旋矢量更新对偶四元数,同时补偿圆锥误差和划船误差.推导了组合导航系统基于加性对偶四元数的误差模型和导航参数误差的计算方程;把陀螺仪和加速度计的常值误差扩充到状态变量中,随机误差作为系统噪声输入,利用星敏感器输出参数来校正陀螺漂移,通过卡尔曼滤波对状态变量进行估计.仿真结果表明:在高动态条件下,基于对偶四元数的惯性/天文导航算法的导航精度比传统算法提高2倍多.     

基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法

为了提高惯性/天文组合导航系统在高动态条件下的导航精度,提出了一种基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法.该算法将载体的旋转和平移统一起来,使用螺旋矢量更新对偶四元数,同时补偿圆锥误差和划船误差.推导了组合导航系统基于加性对偶四元数的误差模型和导航参数误差的计算方程;把陀螺仪和加速度计的常值误差扩充到状态变量中,随机误差作为系统噪声输入,利用星敏感器输出参数来校正陀螺漂移,通过卡尔曼滤波对状态变量进行估计.仿真结果表明:在高动态条件下,基于对偶四元数的惯性/天文导航算法的导航精度比传统算法提高2倍多.     

在片功率参数校准方法研究

针对在片功率参数的校准需求,分析如何通过矢量方法修正由于微波探针和功率计引入的失配误差,并推导相关修正公式。同时对在片功率测量矢量修正中涉及的微波探针S参数提取方法做介绍,并将试验提取的S参数与微波探针的出厂数据比较。最后将在片功率参数测量的矢量修正数据分别与标量修正数据和未修正数据比较,结果表明,在40GHz内,运用矢量修正得到的在片功率参数测量结果准确度较未修正结果提高0.4dB,较标量修正结果提高0.1dB。     

一种无需轴对准的磁罗盘正交度测试方法

给出了一种可自动化的测试双轴磁传感器正交角度的方法：正交磁场法,该方法操作简便,无需被测传感器的精密装夹;整个测量过程中没有装配操作,完全消除了由于装配的不一致性带来的误差。与常用的磁矢量投影法相比较,本方法可较快地测得双轴磁传感器的正交度,且达到较高的精度。     

基于标定场的激光雷达两步标定方法

针对激光雷达大测量范围高精度测角测距问题,提出一种基于标定场的激光雷达两步标定方法.该方法在分析激光雷达测角误差和测距误差的基础上,提出激光雷达误差修正模型.该模型将距离修正从标定模型中分离,首先利用靶标场完成全视场的角度标定,并确定其外部参数,再利用基线场实现距离标定.以降低距离标定参数与角度标定参数之间的耦合性,保证激光雷达角度和距离标定的精度和准确度.实验结果表明方法合理有效,能够实现激光雷达的高精度标定.     

核磁共振陀螺高精度磁场驱动技术

核磁共振陀螺（NMRG）是利用激光与核磁共振气室中的碱金属原子和惰性气体原子的相互作用使核子以拉莫尔频率进动,并通过磁场驱动技术对气室磁场实现闭环控制和对剩磁进行补偿来维持核子的共振状态,进而能够检测载体的角速度信息。磁场驱动技术作为磁场闭环控制的重要部分,直接影响核磁共振陀螺的磁场控制精度和稳定性。为了解决核磁共振陀螺磁场控制精度和稳定性不足的关键问题,采用交直流分离设计的压控电流源方案改善磁场驱动问题,基于噪声分析理论对电路进行建模和噪声分析,并通过实验验证对三轴线圈的横向磁场控制精度达±0.046 2 nT,纵向磁场控制精度为±0.003 1 nT,实验证明该技术方案具有较强的工程应用价值。      

基于遗传算法的插值Coons曲面孔位修正方法

在机器人自动制孔过程中，制孔点位信息通常从待制孔工件工艺数模上获取，而待制孔工件安装过程中会出现位置偏移和变形，由工艺数模得到的点位信息无法直接满足孔位精度要求。为了保证自动制孔的孔位精度，提出了一种基于遗传算法的插值Coons曲面孔位修正方法。利用制孔区域边角基准孔建立双线性Coons误差曲面模型，通过模型计算出待制孔的误差补偿向量，并补偿至理论制孔位置。针对误差曲面切矢模长无法确定的情况，利用制孔区域内的基准孔构建遗传算法模型，计算出切矢模长最优值，使拟合的误差曲面更符合实际制孔区域曲面。通过试验对算法的有效性和精度进行验证，结果表明:采用基于遗传算法的插值Coons曲面孔位修正方法，可以使孔位误差得到有效的补偿。补偿后的平均孔位误差仅为0.195 6 mm，与传统的插值曲面方法相比，孔位误差降低了5%~10%。      

基于球投影的面阵探测器扭转角测量与校正

为了消除基于面阵探测器的锥束X射线计算机断层成像(XCT,X-ray Computed Tomography)检测系统中探测器的安装误差对重建断层图像的影响,使投影坐标系准确建立,并与重建坐标系精确配准,提出了基于椭圆拟合的平板探测器位姿参数的估计方法.并在此基础上,从锥束XCT的近似重建算法FDK(Feldkamp)出发,结合空间坐标变换原理,改进了重建算法中投影地址的计算方式,使之能在存在安装误差的情况下准确计算投影地址,重建出正确的断层图像.该方法简单有效,计算量小,无需对系统硬件进行调整.实验结果表明,利用该方法可以有效地消除由于探测器位姿引起的图像伪影.