直升机光纤陀螺IMU抗振设计及实时滤波方法

振动引起光纤陀螺(FOG, Fiber Optic Gyroscope)零偏误差,非线性、非高斯随机噪声及由其组成的惯性测量单元(IMU, Inertial Measurement Unit)非互易性解算误差,针对直升机航向姿态测量误差问题,提出了一种FOG IMU的机械减振与数据滤波相结合的振动抑制方法,建立了FOG IMU减振装置数学模型,通过优化设计实现线、角运动通道振动解耦,从物理上消除外界高频干扰振动源;研究实时小运算量、低时延数据滤波方法,抑制减振装置谐振干扰和惯性器件噪声,进而减小捷联解算非互易性误差.实验结果表明:采用该方法能有效地抑制外界干扰振动和系统噪声,保证FOG IMU工作稳定性和精度,为研制应用于直升机的高性能航姿导航信息与航向姿态参考系统奠定基础.     

基于FPGA+DSP的X射线脉冲星导航原理样机的设计与实现

为了验证X射线脉冲星导航算法在星载计算机环境下的实时性和适用性,设计了基于FPGA+DSP架构的X射线脉冲星导航原理样机,导航原理样机中的FPGA用于系统的逻辑控制以及光子数据的存储;DSP则用于将接收到的光子数据进行转换、脉冲折叠、脉冲数据互相关处理、数据插值以及最小二乘滤波等算法。最后搭建了X射线脉冲星导航地面半物理仿真系统,系统以光子到达时间残差作为观测量,结合卫星轨道动力学模型,基于滤波算法实现航天器的导航定位。仿真结果表明,导航位置误差优于10 km,速度误差优于1 km/s。     

基于二维deramp处理的高分辨率 聚束SAR成像算法

有效解决回波信号的数据率是高分辨率聚束式星载SAR的难点之一.基于两步成 像算法和CS(Chirp Scaling)成像算法,提出了一种适用于高分辨率聚束式星载SAR的成像算 法——TDDCS(Two Dimension Deramp Chirp Scaling)成像算法.该算法从距离dechirp处理 后回波信号出发,首先利用二维deramp 处理来消除频谱混叠现象,这不仅能实现以对应条 带模式的脉冲重复频率来设计聚束SAR系统,也保证满足观测带宽度所需的回波窗长度,接 着利用CS处理和相位补偿实现精确的距离徙动校正,最后利用方位相匹配滤波 处理实现方位向压缩,得到最终的成像结果.基于等效斜视模型,给出了整个算法的详细推 导过程和实现流程,通过计算机仿真验证了本算法的有效性.      

基于可变遗忘因子的渐消记忆变分贝叶斯自适应滤波算法

针对全球卫星导航系统/捷联惯性导航系统（GNSS/SINS）组合导航中GNSS信号易受干扰，造成量测噪声突变的问题，提出一种基于可变遗忘因子的渐消记忆变分贝叶斯自适应Kalman滤波（VBAKF）算法。针对自适应滤波中突变噪声难以准确探测，构建基于初值的噪声突变检验准则；为解决自适应滤波估计突变噪声的拖尾现象，将变分贝叶斯自适应滤波的超参数传递结构转化为协方差阵修正结构，通过构造可变遗忘因子函数动态调节自适应滤波中的遗忘因子。仿真和实测数据表明：所提算法可在GNSS/SINS噪声突变时快速估计量测噪声，提高组合导航精度。     

导航信号IQ正交性测试软件设计与实现CSCD

针对通用的商用仪器不能适用现代导航信号IQ正交性的测试要求,开发一种基于Matlab GUI环境的导航信号IQ正交性测试软件。该软件通过网络接口控制高速数字示波器,对导航信号源的秒脉冲信号和导航信号进行双通道高速数据采样,根据秒脉冲信号确定导航信号起始点,截取导航信号数据,采用本地数字波形对导航信号进行匹配滤波和伪随机码同步等数字信号处理,精密估计I和Q支路载波初始相位,从而得到IQ正交性测试结果。软件具有界面友好,操作简单,显示直观等特点。仿真测试结果表明,在典型载噪比情况下,测试软件所得到的测试结果随机误差小于0.5°。     

超低轨道地球卫星脉冲星/星光折射/光谱组合导航

针对超低轨道地球卫星导航自主需求,提出了一种脉冲星/星光折射/光谱测速组合天文导航方法。首先根据地球超低轨道卫星运行轨道动力学方程建立导航系统状态模型;分别根据脉冲到达时间差和星光折射角与天体光谱频率建立导航系统量测模型;使用Unscented卡尔曼滤波方法,降低随机误差对导航精度的影响,使用基于UKF的信息融合方法,有效融合了三种天文导航方法结果数据。经计算机仿真分析,该组合导航方法位置导航误差均值为85.62m,速度误差均值0.190m/s,能够满足超低轨道地球卫星在轨运行导航需求。     

同步式GPS欺骗干扰信号生成技术研究与设计

出于对"低、慢、小"无人机进行导航定位诱骗的实际需求,在实验室原有的异步生成式GPS欺骗干扰源的基础上,研制了一种小型化的同步生成式GPS欺骗干扰源。首先,在异步生成式GPS欺骗干扰源射频信号模型的基础上,考虑到干扰源信号处理延时、欺骗信号的传播延时、无人机上目标接收机所接收真实卫星信号状态以及无人机运动模型,建立了对同步欺骗信号仿真时间和状态参数进行精确计算的数学模型。其次,通过本地授时型接收机提供驯服后的基准时钟和秒脉冲（1PPS）信号,实现欺骗干扰信号与真实卫星信号系统时的同步,并通过高阶直接数字频率合成（DDS）技术精确控制信号参数、保证欺骗信号到达目标接收机接收天线相位中心时与真实信号的相位状态在成功诱骗所允许的误差范围之内。最后,通过商用接收机和无人机进行了实验验证,在无人机上目标接收机正常跟踪真实卫星信号的前提下,开启同步生成式GPS欺骗干扰源发射欺骗信号,能够使目标接收机逐渐偏离正常定位测速结果而产生受控的定位测速结果。结果验证了同步信号模型和所设计同步信号生成电路的正确性,且表明同步生成式GPS欺骗干扰源能够实现对商用接收机和无人机导航定位的诱骗。      

导频脉冲载波频率的快速捕获与跟踪

针对短时导频脉冲载波频率的同步问题,提出一种快速捕获和跟踪方法.该方法采用相位推算法进行快速载波频率初估计,完成频率的捕获.相位推算法首先利用最小二乘法估计实采样点的相位,再应用相位解卷、一元线性回归和最小二乘法拟合求取信号频率的估值,其测频精度优于常用的Prony算法,在高信噪比情况下逼近实正弦信号的Cramer-Rao界.应用数字下变频和Kay算法实现频率的跟踪,通过建立仿真模型,验证其跟踪精度优于叉积自动频率控制环.在给出的设计实例中,对于脉宽为1ms的导频脉冲,在信噪比大于13dB的情况下,环路频率跟踪的最大误差小于3Hz.      

频谱混叠对光纤陀螺振动特性测试的影响

振动过程中的频谱混叠会使光纤陀螺中采样后信号相对于原信号产生失真现象,从而影响测试结果.为了验证频谱混叠带来的影响,并进一步抑制频谱混叠现象的发生,设计实现了一套用于获取光纤陀螺原始输出的闭环数据采集系统（速率可达1 MHz×16 bit）,分析了振动测试过程中光纤陀螺闭环数据的特征,发现目前光纤陀螺中常用滤波器无法有效滤除闭环数据中振动成分,因此可能会由于采样频率设置不当引起频谱混叠;通过matlab仿真和陀螺振动实验对频谱混叠造成的影响进行了验证;针对频谱混叠现象提出了抑制措施.实验结果表明对于采用类似数据采集过程的光纤陀螺,改进后的设计可以有效避免频谱混叠现象的发生.      

时频信号的非参数加窗稀疏协方差迭代分析法

针对多分量非平稳时频信号的分析，提出了一种非参数加窗稀疏协方差迭代分析（Sparse Iterative Covariance-based Estimation，SPICE）法。该方法通过引入局部化的窗函数，并在窗内对信号建立非参数化的时频模型，以获取非平稳信号的局部时频特性。分析表明：给出的非参数时频模型，可通过加权最小二乘（Weighted Least Square，WLS）进行求解。当将WLS的加权矩阵的构建问题转换为广义噪声协方差矩阵时，提出的模型也可借助于加窗SPICE方法来进行求解。分析和仿真均表明：与传统方法相比，提出方法具有噪声抑制能力强、能量集中度高和对于载频差异较小信号的分离效果佳等优点。     

光纤陀螺随机漂移误差补偿适用性方法

针对传统方法在建立时间序列模型基础上应用卡尔曼滤波器去除陀螺随机噪声误差的缺陷,提出了一种适于在线补偿光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyrosope)随机误差的滤波方法.当建立的时间序列模型系数出现偏差时,通过引入虚拟噪声,来补偿滤波过程由于系统模型时变和未知噪声而引入的误差,实现了对陀螺随机漂移误差的高精度滤波处理.其次,利用Allan 方差分析法分离并确定了光纤陀螺的主要随机误差源,并对建立的光纤陀螺时间序列模型及滤波方法的适用性及精度进行了评估.通过对光纤陀螺实测数据的分析表明,速率斜坡、速率随机游走和零偏稳定性为FOG的主要随机噪声,所提出的自适应滤波算法能够适应陀螺漂移的时变特点,是一种有效的去除光纤陀螺随机漂移噪声方法.      

数字闭环光纤陀螺死区非线性机理

死区非线性是数字闭环光纤陀螺的非线性误差之一,抑制死区非线性可以减小数字闭环光纤陀螺的输出噪声和漂移.分析了死区与分辨率和阈值的关系,给出了数字闭环光纤陀螺死区的定义和测量方法.提出调制信号与探测器输出信号之间的电交叉耦合及进入相位调制器的调制误差信号是产生死区的干扰源.给出了干扰信号的频率和相位特征,并分析了干扰信号跟踪、锁定输入信号的过程.将反馈干扰通道的部分积分模型和理想的数字闭环光纤陀螺模型结合,建立了带死区的陀螺模型.基于陀螺模型及相位调制信号与死区的关系,推导出了死区产生的条件及死区造成的陀螺输出偏差.死区影响因素的仿真结果和实验结果验证了陀螺模型和死区产生条件的正确性.      

电缆长度辅助的光纤陀螺测斜仪组合测量方法

为实现光纤陀螺(FOG)测斜仪高精度长时间测量,结合测井作业方式,提出基于卡尔曼滤波技术的电缆长度信息辅助的组合测量方法.介绍了捷联惯性测量系统(ISS)误差模型和电缆长度测量模型,设计了组合测量方法的总体方案,建立了组合测量系统误差状态模型及量测更新模型.采用半实物仿真计算对本文提出的组合测量方法进行了验证.仿真结果表明:14 400 s的仿真过程,井斜角误差小于0.02°,工具面角误差小于0.12°,方位角误差小于0.98°,位置误差小于47.5 m.相比纯惯性测量,误差得到了有效的抑制,保证了仪器长时间保精度的测量,提高了仪器的性能.      

基于空中对准过程的在线标定及优化设计

光纤陀螺惯组输出误差影响武器系统导航精度,为了弥补地面标定的不足,利用机载制导武器发射前空中对准过程进行光纤捷联系统在线标定.介绍了光纤捷联系统空中对准/在线标定系统模型,基于此设计卡尔曼滤波器;针对某机载航空制导炸弹工作过程进行了对准过程中误差激发与对导航精度影响的仿真分析,并基于此进行了滤波器优化设计;最后进行了优化设计前后导航精度仿真比较,仿真结果显示:完成空中对准/在线标定优化设计后,光纤捷联系统纯惯性导航精度得到提高.      

一种高精度角速率圆锥补偿算法

以角速率信号作为算法输入时,采用以往常用的圆锥补偿算法,算法误差明显增大.鉴于光纤陀螺角速率信号可以直接获取,提出了一种以角速率信号作为圆锥补偿算法输入的新补偿算法.在姿态更新周期内,以光纤陀螺角速率信号作为输入,求得陀螺角速率输出的表达式,结合旋转矢量微分方程,推导出新圆锥补偿算法表达式,然后以算法漂移误差最小对新算法进行优化.采用规则进动、典型的圆锥运动以及有噪声干扰的圆锥运动作为测试输入,通过与传统算法的对比,新算法计算量低、计算简单方便,算法精度高.新算法的提出为高动态环境下光纤陀螺捷联系统的姿态误差补偿提供了一个新的思路.     

光纤陀螺/GPS组合导航系统中的信息融合技术

光纤陀螺捷联惯导系统用于导航定位具有自主性的优点,但系统误差随时间累积.全球定位系统(GPS,Global Position System)用于导航定位精度很高,误差不随时间积累,但抗干扰性能很差,没有自主性.运用信息融合技术将光纤陀螺捷联系统和GPS进行组合,将GPS的高度信息引入惯导高度反馈通道,设定反馈系数,抑制高度发散,将GPS经度、纬度、地速信息作为系统卡尔曼滤波器量测信息,消除惯导积累误差.提出的信息融合方案运用于某中精度光纤陀螺/GPS组合导航系统并进行路试,导航系统输出3个方向位置数据与定位基准相比,误差不随时间积累,路试结果表明此信息融合方案的有效性及工程的实用性.      

基于视觉的无人作战飞机自主着陆导航方案

提出了基于视觉的无人作战飞机自主着陆组合导航方案.基于视觉的自主着陆 组合导航系统,可以根据视觉、惯导、高度表等传感器系统的特点,融合各机载传感器的测 量信息,在不依赖外部导航信息的情况下,得到无人作战飞机(UCAV)相对于跑道的着陆导 航信息.由于视觉信息在导航系统中的重要作用,对计算机视觉算法及其实时性进行了讨论 .对如何将视觉信息与惯导、高度表信息融合,构造多速率扩展Kalman滤波器进行了阐述. 通过自主开发的"UCAV自主着陆实时仿真验证平台"对该方案进行仿真,得到了满意的结果.      

一种新的SINS/GPS深组合导航系统设计

为了提高GPS在高动态、强干扰条件下的跟踪性能和导航精度,提出了一种新的SINS/GPS深组合导航方案.利用卡尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪回路,能够同时完成所有可视卫星信号和组合导航信息处理的任务;利用矢量跟踪算法加强各跟踪通道相互关联,增强跟踪通道对信号载噪比变化的适应能力,从而提高接收机在信号中断条件下的导航性能;利用相关器输出的I和Q路测量值直接作为导航滤波器的观测量,减小滤波过程残差,可以提高组合导航系统的导航精度和跟踪性能.仿真验证表明,这种基于矢量跟踪的深组合导航方案不仅在GPS信号中断期间能够保证系统的导航精度和可靠性,而且在低载噪比条件下可以增强导航系统的跟踪性能以及抗干扰能力.     

高精度光纤陀螺捷联系统设计

以高精度光纤陀螺捷联系统为研究对象,提出了基于仿真的系统总体设计方法,分析了高精度光纤陀螺捷联系统设计中的关键技术,重点对轨迹发生器的设计、卡尔曼滤波器中状态变量的确定原则、滤波器中外部辅助信息的利用,以及卡尔曼滤波器在初始对准中的应用进行了研究,并选取不同状态变量、不同的组合导航工作时间、单位置和双位置对准等几种情况的仿真进行了对比分析,仿真结果表明:卡尔曼滤波器是系统总体设计的主题,它与载体的机动特性、组合导航工作模式、器件精度等是密不可分的.