IDENTIFICATION OF GYRO DRIFTS UNDER THREE AXIS ATTITUDE COUPLING

ＩＤＥＮＴＩＦＩＣＡＴＩＯＮＯＦＧＹＲＯＤＲＩＦＴＳＵＮＤＥＲＴＨＲＥＥＡＸＩＳＡＴＴＩＴＵＤＥＣＯＵＰＬＩＮＧＪＩＮＧＷｕｘｉｎｇ（荆武兴），ＷＡＮＧＸｕｅｘｉａｏ（王学孝），ＷＵＹａｏｈｕａ（吴瑶华）（ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎ...     

A new grid deformation technology with high quality and robustness based on quaternion

Quality and robustness of grid deformation is of the most importance in the field of aircraft design, and grid in high quality is essential for improving the precision of numerical simulation. In order to maintain the orthogonality of deformed grid, the displacement of grid points is divided into rotational and translational parts in this paper, and inverse distance weighted interpolation is used to transfer the changing location from boundary grid to the spatial grid. Moreover, the deformation of rotational part is implemented in combination with the exponential space mapping that improves the certainty and stability of quaternion interpolation. Furthermore, the new grid deformation technique named ‘‘layering blend deformation' is built based on the basic quaternion technique, which combines the layering arithmetic with transfinite interpolation(TFI) technique. Then the proposed technique is applied in the movement of airfoil, parametric modeling, and the deformation of complex configuration, in which the robustness of grid quality is tested. The results show that the new method has the capacity to deal with the problems with large deformation, and the ‘‘layering blend deformation' improves the efficiency and quality of the basic quaternion deformation method significantly.     

基于对偶四元数的INS/GPS组合导航算法研究

在基于对偶四元数的捷联惯导解算方法的基础上,推导了以惯性系作为导航系的惯导误差方程,在此基础上设计了卡尔曼滤波组合导航算法。通过激光惯导跑车采集数据,进行了仿真分析,试验结果表明,该组合导航算法能有效的消除惯导累积的速度误差和位置误差,相比于目前广泛应用的INS/GPS组合导航算法,本文描述了INS/GPS组合导航的另一种实现方式,获得了相当的精度,具有一定的工程应用价值。     

基于高斯过程的航天器自适应滑模姿态控制

针对存在模型不确定性和外界干扰的刚性航天器,提出了一种基于高斯过程回归(GPR)的新型自适应滑模姿态控制算法。该算法具有自学习能力,在不同的姿态控制任务下都能够实现高精度、强鲁棒和高效率的姿态跟踪。首先,在航天器的四元数标称系统动态模型基础上,应用在线稀疏高斯过程回归(SOGP)方法学习系统的未知动态;其次,结合高斯过程的预测均值设计滑模控制算法,利用高斯过程的预测方差自适应调节控制增益,并应用李雅普诺夫方法严格证明闭环系统的稳定性,保证了航天器姿态跟踪误差的渐进收敛性;最后,通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性。结果表明,该自学习控制算法与自适应滑模控制(ASMC)与神经网络自适应控制等算法相比,具有更快的收敛速度、更高的跟踪精度以及更低的控制成本。     

基于对偶四元数的航天器相对位置和姿态耦合控制

针对交会对接、在轨服务等航天任务中存在的轨道和姿态动力学耦合问题,突破传统的轨道姿态分而治之模式,利用对偶四元数建立了相对位置和姿态的一体化耦合动力学模型,并分析了模型中存在的轨道和姿态耦合影响.针对此强耦合、非线性系统,基于对偶四元数的李群结构设计了误差PD（Proportional Derivative,比例微分）控制律,采用Lyapunov（李雅普诺夫）方法分析了控制系统的稳定性,并指出其相比传统的轨道和姿态分别控制方法更有优势.仿真结果表明,该控制方法能够一体化控制航天器的相对位置和姿态,相对位置控制精度在0.01m以内,相对姿态控制精度在0.05°以内,这表明所设计的控制器有效可行.     

高速飞行姿态解算系统设计与实现

飞行事故分析需要完整记录飞机的飞行姿态,为此设计了一种基于FPGA的高速姿态解算系统,能够在线高速输出姿态信息,为飞行事故分析提供充足的参考数据。系统采用基于四元数的姿态算法,以克服欧拉法在90。具有奇异性的缺陷;用浮点数格式进行数据描述,并在FPGA内设计了浮点数四则运算硬件逻辑电路,以提高解算的精度;同时,在解算过程中充分发挥FPGA分布式、并行化的处理特点,通过并行流水设计及模块复用方法对系统的处理速度和资源消耗进行折中,使得系统在一块小规模FPGA芯片中达到0．38MHz的姿态输出频率。进行仿真数据测试及转台实验,对系统的解算精度及动静态性能进行了分析与评价。实验结果表明,系统性能良好,简单实用,具有较好的工程推广应用前景。     

弹道导弹中段飞行调姿规划技术

目前弹道导弹组合中制导飞行段存在多种调姿时序要求。为了协调各种要求,提出了一种弹道导弹中段飞行调姿规划方法。首先,采用四元数姿态控制方法推导了最小时间和给定时间条件下的姿态角速度指令以及程序四元数,求出四元数姿态控制偏差量作为最优调姿时序规划的基础;然后,确定了中制导各阶段的时序约束条件,建立了优化中段飞行调姿时序的规划模型;最后,采用随机方向搜索法对仿真算例进行了优化计算。仿真结果表明,调姿规划模型可以实现中段飞行姿态时序的协调。     

基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述

为统一描述编队飞行卫星中主从星的相对位置和姿态参数,利用对偶四元数,建立编队飞行卫星运动学模型,分析其物理意义,提出了基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述的划船算法,并利用这一算法解算出相对位置和姿态参数,突破了传统方法中将卫星轨道和姿态分而治之的方式。仿真结果表明该算法科学合理,能够有效描述编队飞行卫星间的相对位置和姿态。     

基于四元数理论的彩色图像脉冲噪声开关滤波

根据四元数单位变换理论定义了一种新的描述彩色图像像素点间差异的距离,该距离可以同时描述两个彩色像素点在强度和色度上的差异.利用该距离和图像边缘的结构性与方向性,构造了一种基于四元数的开关型彩色图像脉冲噪声滤波器.该滤波器对像素点进行4个方向上的噪声检测并仅对检测为噪声的像素点进行滤波.实验表明:该滤波器能够在去除彩色图像中的相关和非相关噪声的同时保护图像细节,同时具有比传统方法更快的执行速度.     

一种基于NGA-QPF的航天器姿态估计方法

针对航天器姿态确定中的非线性非高斯的滤波问题,提出一种基于遗传算法的粒子滤波的航天器姿态估计方法。该方法将姿态四元数作为采样粒子进行粒子滤波,并将小生境遗传算法（NGA）引入粒子滤波算法中,以改善粒子滤波的性能;用遗传算法单独进行陀螺偏差估计,以减少粒子滤波的状态维数。该姿态估计方法保持了四元数的归一化性质,通过引入小生境遗传算法解决了重采样阶段的粒子退化问题,并且由于单独估计陀螺偏差避免了粒子滤波状态的扩展。该方法能够在较少粒子的情况下实现高效率高精度的定姿,仿真结果说明了方法的有效性。