基于低成本陀螺和倾角仪的姿态估计

针对动中通测控系统中低成本陀螺和倾角仪的姿态估计和陀螺误差校正问题,提出一种利用UKF（Uncented Kalman Filter）滤波器对载体姿态角进行估计,然后利用互补滤波器对陀螺漂移进行估计的算法。该算法通过设计三维完全可观测UKF滤波方程和陀螺误差校正模型对姿态角和陀螺漂移分别进行估计,有效避免了利用卡尔曼滤波进行姿态估计和陀螺漂移误差估计时由于误差模型不准确而产生的发散问题,同时降低了滤波器维数。试验中姿态角估计误差在1°以内,x轴陀螺漂移估计误差为0.0148°/s,y轴陀螺漂移估计误差为0.0017°/s,试验结果表明该算法能有效提高姿态角估计和陀螺漂移估计的精度。     

全光纤陀螺全数字信号处理研究

为了提高全光纤陀螺的精度,扩大测量动态范围和简化电路结构,提出了一种结构紧凑,适合于中低精度范围的光纤陀螺信号处理方案.该方案主要采用全数字信号处理技术来替代传统模拟电路的功能,并且具有同时处理三个光纤陀螺光学表头输出信号的特点.采用该方案的样机精度达到1～10(°)/h,动态范围达到±500(°)/s.     

光强干扰调制对光纤陀螺零偏的影响

方波调制信号是全数字闭环光纤陀螺的基准信号,该信号会通过电源线、地线或以空间电磁场的形式耦合到光源驱动电路上。基于相干检测原理,推导了由该耦合信号产生的等效相位延迟的计算公式,利用仿真模型估算了-120dB耦合强度对不同精度陀螺闭环零偏的影响,利用锁相放大器（LIA）测量了实验电路板上耦合信号的幅值,证明了该耦合信号与光纤陀螺零偏的相关性。光源驱动电路抗干扰改进后实验样机精度提高了40％,即0.14°/h。结果表明：光源驱动电路中耦合的方波信号是光纤陀螺产生零偏的因素之一,必须在硬件设计或信号处理算法上加以抑制。     

光纤陀螺捷联惯导划桨运动补偿

光纤陀螺输出为角速率信号,基于角增量和速度增量的传统划桨运动补偿算法直接应用于光纤陀螺捷联惯导系统时,算法误差明显增大,影响了惯导精度。为了抑制算法误差,提出了以角速率为输入信号的划桨补偿算法,并以算法漂移误差最小为优化准则对算法进行优化,推导了相应的划桨补偿系数方程和算法误差表达式。仿真结果表明,所设计的算法比同子样数常规角增量划桨补偿算法在补偿精度上有明显提高。     

光纤陀螺测量卫星结构角振动的地面试验验证

针对结构角振动对卫星光学载荷成像影响大,且在轨微振动实时测量较困难的问题,文章对比了国内外角振动测量方法,提出利用光纤陀螺实时测量角振动方法,利用角振动激励台对光纤陀螺测量结果进行了标定,其测量精度满足要求,并测量了动量轮组合工作模式下的卫星载荷安装板的角振动特性。地面试验结果表明:此测量方法合理可行,可为增强卫星在轨的抗振性、提高有效载荷指向精度和稳定度提供参考。     

激光陀螺的高频读出与自适应滤波方法的研究

针对三轴激光陀螺捷联惯导系统(LINS)中三个激光陀螺受各自抖动频率限制,读出频带不足且读出信号不同步,导致动态应用精度降低,研究并开发了一种新的环形激光陀螺(RLG)高频读出电路及信号处理方法。方案采用抖动角传感器获取RLG抖动输出结合原始输出信号构成闭环LMS自适应滤波器,通过DSP信号处理,同时用整周期采样的累积输出作补偿。给出了实现的原理框图和滤波算法。经测试,该方法提高了RLG的读出频带,解决了读出信号不同步的问题,并有效减小了RLG的输出信号噪声,提高了LINS的解算精度,为系统在高动态条件下,实现相关数据分析与误差补偿提供了前提和基础。     

星载光纤陀螺的最优调制深度

为了选取合适的调制深度以提高星载光纤陀螺在空间辐射环境下的工作性能,通过对闭环光纤陀螺输出信号的信噪比分析建立了光纤陀螺随机游走系数与调制深度的关系的模型。根据该模型对光纤辐射致衰减、光纤长度、光源光功率对最优调制深度的影响进行了仿真研究。结果表明：光纤辐射致衰减越小、光源光功率越大,则光纤陀螺的最优调制深度越大,且相应的随机游走系数越小。增加光纤长度将降低光纤陀螺的最优调制深度,当光纤衰减较大且光纤较长时,过调制技术可能会使光纤陀螺性能恶化。因此,在星载光纤陀螺的设计过程中应根据实际情况对调制深度进行优化,以保证陀螺获得最优的工作性能。理论分析和仿真结果为星载光纤陀螺最优调制深度的选取提供了依据。     

运载火箭姿态控制多速率陀螺融合方法

针对柔性火箭姿态测量中弹性信号会严重影响姿控系统设计和稳定性的问题,提出基于遗传算法的速率陀螺融合方法。首先,以降低姿控回路摆角指令传递函数的弹性峰值为目标,提出多速率陀螺融合方法的目标函数;其次,将多速率陀螺融合方法转化为多约束非线性规划问题,采用遗传算法求解多速率陀螺融合方法;最后,研究多速率陀螺融合方法对火箭姿态控制回路弹性信号的影响,以及对火箭控制器性能的影响。仿真结果表明:多速率陀螺融合方法可以有效减弱火箭姿态控制回路中的弹性信号,提高火箭控制器的性能,以增强火箭姿控系统的稳定性,降低火箭控制器设计难度。     

具有高适应性的光纤陀螺零偏非线性温度误差补偿方法

确定了光纤陀螺零偏温度误差模型的组成并设计温度试验验证了所选模型项的充分性。通过反解温箱传递函数实现了温箱的输入控制,并控制陀螺本体进行了恒定速率升降温,再结合不同高低温区间的温度循环操纵误差轨线完成了对于温度/温变速率平面的覆盖,揭示了平面覆盖性与环境适应性间的联系。借助非线性偏最小二乘估计对零偏非线性温度漂移模型进行了高精度辨识,获得了各温度因素的组成形式与影响权重。最后利用随机变温与惯导冷启动试验验证了本方法对于复杂温度环境的高适应性。经温度误差补偿后,全温范围陀螺零偏稳定性由0.02°/h水平降至优于0.005°/h。     

基于时频二维估计的卫星导航失锁快速重定位技术

卫星导航接收机在天线受到遮挡或者弱信号环境中易出现信号失锁现象,信号恢复后的重定位时间成为接收机的一项重要性能指标。提出一种基于时频二维估计、适用于中低动态应用场景的失锁快速重定位技术,利用信号失锁前测量的载波多普勒频率和码相位等信息对失锁后的多普勒频率及码相位进行估计,信号恢复后直接启用信号跟踪,无需进行位同步和帧同步,即可实现快速重定位。对该技术进行工程实现及试验验证,结果表明信号输入功率高于–145dBm(积分时间为10ms)、失锁时间小于60s时,接收机重定位时间在1s以内。     

SpaceWire光纤总线时钟同步方法研究

将SpaceWire ECSS-E-50-12C标准中基于Time-Code时间分发的同步方式应用于SpaceWire光纤总线系统中时,存在计时精度不高且计时长度短、延时误差不可控、频率偏差无法补偿的问题,不能满足纳秒级的时钟同步需求。针对以上问题,提出了使用从节点的本地时钟计数、时间戳计算平均延时、以及根据时钟频率偏差调整动态时钟计数的方法,消除时钟同步过程中时钟延时、抖动和频率漂移的影响,提高时钟同步精度。通过仿真验证,在光纤总线系统主节点和从节点的时钟频率不同,传输延时为80ns,延时抖动为8ns,且同步间隙为100μs的情况下,优化后的时钟同步精度达到了从100μs到24ns的提升。     

旋转矢量航姿算法的一种新的表达式

传统的旋转矢量航姿算法一般采用陀螺的角增量输出来构造积分算法，本文将光纤陀螺输出的角速率信号再引入航姿计算，提出一种新的航姿算法表达式，并分析了此算法在圆锥运动输入下的误差。与传统的旋转矢量法比较，新算法具有较高的精度，为改进旋转矢量算法提供了一种新的思路。     

高动态跳频信号时钟同步设计与实现

由于跳频信号各跳之间的符号速率和符号数量不一致,特别是低速跳只含少量符号,导致时钟误差提取困难。针对高动态下的跳频信号时钟同步难题,提出基于频偏估计的钟偏反馈调整方法。该方法通过同步序列进行频率估计和钟偏估计,并结合反馈方法调整钟偏和时钟跟踪,实现了高精度时钟同步。仿真结果表明：该方法适应飞行速度7.9 km/s、加速度0.2 km/s²的超高动态,定时同步性能优越,定时精度满足高速跳频信号解调要求,且解调损失小于0.1 dB。     

数字滤波在运载火箭速率陀螺冗余设计中的应用

首先介绍了某运载火箭姿态控制系统中的速率陀螺冗余方案,并描述了仿真试验中出现的速率陀螺故障累计次数偏多,可能造成故障误判,导致系统发散的问题.然后根据各惯性器件的测量方程和冗余判据,通过公式推导,分析出造成了基准信号与速率陀螺信号之间有差别的主要原因是:惯性器件的安装位置不同,敏感到箭体的局部弹性不同.平台安装处的振型斜率大于2个速率陀螺安装处的振型斜率,提出利用数字滤波技术,对基准信号中的弹性分量进行滤波和平滑处理,降低平台微分信号中的弹性分量,分离出对冗余判据有利的基准信号,解决了故障累计次数过多的问题.最后通过数学仿真实例,表明该方法的有效性.     

光纤陀螺捷联惯性测量组合外场测试方法探讨

探讨了光纤陀螺仪和光纤陀螺捷联惯性测量组合在外场条件下的测试方法,提出了施加电激励对光纤陀螺进行整体测试的方怯。该方法能很好地满足外场条件下光纤陀螺和光纤陀螺捷联惯性测量组合测试的有效性和覆盖性。     

陀螺与星敏感器组合定姿及陀螺漂移估计

研究基于PI滤波估计陀螺角速率漂移的陀螺与星敏感器组合定姿算法,首先推导了陀螺角速率漂移与姿态偏差四元数之间的关系,并基于姿态偏差四元数和PI滤波估计陀螺角速率漂移;接着给出了分别基于J2000惯性系和轨道坐标系的星敏感器与陀螺组合定姿算法和姿态偏差四元数求解方法;最后进行了工程应用方式分析和仿真验证。本文基于PI滤波的组合定姿算法简单,易于工程实现,并已通过在轨考核验证。     

基于自适应KF动态虚拟陀螺数据融合算法的研究

微机电系统(MEMS)陀螺与光纤陀螺相比，传感器的精度较低。为了提高MEMS陀螺的精度，通过组合多个相同陀螺实现虚拟陀螺的功能，同时提高虚拟陀螺的静态和动态性能。通过分析陀螺的Allan方差，并考虑陀螺之间的相关性，建立陀螺的测量模型;使用自回归(AR)模型建立预测模型，对卡尔曼滤波(KF)算法进行优化;搭建多MEMS陀螺仪硬件平台，获取数据并实时计算，融合多陀螺数据输出最优估计值，使用高精度转台分别在静态和动态条件下测试滤波效果。实验结果表明:静态条件下虚拟陀螺误差的方差可降低为单个陀螺的1/94，动态条件下降低为单个陀螺的1/18。基于自适应KF的虚拟陀螺可以显著提高精度。     

基于差分相位波形匹配的CPM信号帧同步检测方法

为在解调之前高效地完成连续相位调制(CPM)信号的帧同步检测,并通过帧头信号辅助定时同步,提出一种基于差分相位波形匹配的CPM信号帧同步检测方法并在FPGA上实现。为消除累积相位对CPM信号波形的影响,对接收信号进行差分处理,再每隔一个采样周期与本地差分信号进行波形匹配。仿真结果表明,所提方法对相偏、频偏和相噪不敏感,可在信噪比较低的情况下以较高概率完成对CPM信号的帧同步检测。通过方法得到的帧头信号可将定时误差控制在一个采样周期以内,对定时同步的快速收敛具有较大的辅助作用。     

GPS L5信号帧同步方法的设计与实现

为了实现电文数据的帧同步,给出了GPS L5信号帧同步方法的设计思路,利用GPS L5两个信号分量的同步关系,实现L5I信号的处理并得到电文编码符号。基于咬尾卷积码译码算法和VCP2译码器核完成译码并得到电文数据,最后完成电文数据的帧同步。测试结果显示GPS L5信号的帧同步跟踪稳定,从帧同步中获取的电文帧正确无误且实现定位。方法充分利用信号自身的同步特性关系和现有硬件资源,具有计算量小、资源耗费少和硬件易实现的优点。     

多设备协同测试中雷达数据帧同步方法

在多设备协同测试系统外场联调中,WEIBEL弹道测量雷达的实时弹道数据作为引导源输入至融合处理中心.试验发现,按照设备用户手册中介绍的实时数据输出的帧结构,采用常规的标志位确定帧头的方法无法实现帧同步,导致引导数据不能正确还原,这在多设备协同测试中是一个致命问题.论文通过分析实测的数据帧结构及实时数据传输信号,提出了利用CRC校验位实现帧同步的方法.试验表明,这一方法能够可靠解决多设备协同测试系统雷达引导数据的帧同步问题,为融合处理中心正确还原雷达引导数据提供了技术支撑.