长航时高精度惯导系统姿态阵的四种解算方法

高精度惯性导航系统是保证水下或水面运载体长时间安全航行及搭载的仪器设备正常工作的关键技术之一,姿态阵解算是其核心问题。通过分解姿态阵以及分别采用Euler角和四元数描述姿态参数,建立解算姿态阵的四种方法;分别对这四种方法中的姿态模型进行扰动,并研究相应线性化误差模型的精度及其影响因素;利用数值仿真法对四种姿态解算方法的结果及对应的线性化误差模型的精度进行了比较分析,结果表明:姿态阵解算分解法显著差别于整体法,采用Euler角或四元数描述姿态参数对姿态阵解算精度的影响不显著,分解法对应的线性化误差模型的精度优于整体法。     

权值动态分配的加权平均法在姿态解算中的应用

鉴于各种姿态算法解算后的精度不高,提出将加权平均法应用于捷联惯导系统的姿态解算中.针对实际应用中无法准确获得姿态角度的真实值这一情况,提出对解算误差进行实时估计的方法,再基于最优权值分配的原则进行权值动态分配.对几种姿态解算算法进行了有效的融合,并应用到姿态解算模块的实际测量中.测量结果分析表明此种方法很大程度上减少了单一算法的解算误差及测量的误差,提高了测量的精度.     

两种多天线GNSS动态定姿方法的比较

针对移动载体对姿态的需求,对两种多天线GNSS动态定姿方法,即直接法和最小二乘迭代法进行了研究.分析了定姿的原理,给出了姿态解算模型.基于车载四天线GNSS的实测数据,分别用两种方法进行了姿态解算,并用同一运动平台高精度惯导给出的姿态作为参考值,对两种定姿方法的精度和可靠性进行了分析和比较.     

一种自主四旋翼飞行器控制系统结构研究

四旋翼无人飞行器在军事及民用领域都有很重要的应用,但目前主要是以遥控控制为主,其自主飞行能力较弱,因此提出了一种针对四旋翼飞行器的自主控制架构,它可根据设置好的飞行轨迹进行自主巡航飞行.该自主飞行架构主要分为两部分,分别为导航控制系统和姿态控制系统.导航控制系统根据航线信息解算系统控制姿态角及飞行速度,并把解算结果交给姿态控制系统,由姿态控制系统完成实际飞行器姿态的控制.通过航线自主飞行仿真对该方法的可行性进行了验证.结果表明,该自主控制架构明晰,易于实际控制系统的实现,具有实际应用价值.     

基于星敏感器的姿态确定算法研究

为实现惯性/天文组合导航,提高导航精度,本文研究了基于星敏感器的天文导航姿态确定原理,在理论上推导了用于载体姿态解算的TRIAD算法、最小二乘算法、Eular-q算法和QUEST算法,并通过仿真和实验对以上四种算法进行了比较。仿真和实验结果表明,QUEST算法在四种算法中具有解算精度高而运算速度快的优点。由仿真和实验可知,绕星敏感器光轴方向的姿态解算误差大,这可为惯性/天文组合导航系统的方案设计提供指导。     

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。     

三框架四轴惯性平台系统弹体姿态角解算方法

三框架四轴平台虽然满足了导弹武器系统全姿态机动的需求,但由于增加了一个框架角,弹体姿态的解算却比三轴平台复杂得多.根据随动回路的工作特点,推导出了三框架四轴惯性平台系统各种工况下由四个框架角输出解算弹体的三个姿态角的公式.     

一种机载角同步转换接口的设计与实现

角度解算在飞行器姿态定位中有着关键的作用。传统老式角度解调精度不高，引入数字计算机技术以及芯片技术后，角度解调技术大大改善。通过介绍角度解调原理和专用的角度解算芯片，设计了一种角同步适配器，实验数据表明，适配器能够良好地适配轴角传感器，提高了角度解调精度，具有很好的稳定性。     

一种基于乘性误差四元数的多天线瞬时测姿算法

为进一步拓展全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)测姿应用领域,提升多天线瞬时测姿性能,解决GNSS载波相位观测定姿中的模糊度搜索耗时和周跳探测复杂等问题,提出了一种基于乘性误差四元数的多天线姿态解算方法。使用滤波技术将姿态约束信息通过状态模型和当前观测模型融合,对模糊度进行降权处理,免去周跳探测步骤,从而实现瞬时姿态解算。仿真实验结果表明,新算法既保证了解算效果,又增加了数据处理的灵活性,且耗时更符合实时性需求。     

航空知识

惯导可分为两大类：平台式惯导和捷联式惯导。它们的主要区别在于，前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于由陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；在捷联式惯导中，陀螺和加速度计直接固连在载体上。惯性平台的功能由计算机完成，故有时也称作“数学平台”，它的姿态数据是通过计算得到的。     

翼-身组合体绕流的Euler方程数值模拟

用代数方法生成翼-身组合体H-O型网格,并用有限体积法研制出翼-身组合体绕流三维Euler方程计算程序。该方法的特点是改进了机身与机翼表面网格点分布,机翼后缘有后掠时也能保证后缘与网格线一致。程序除能按常规提供横流截面展向压强分布外,还能提供弦向压强分布。对NASA TND-712的翼-身组合体模型的计算结果与实验符合很好。     

用三维欧拉方程计算机身与机翼绕流

本文用Jameson的三维欧拉方程有限体积法、四步Runge-Kutta时间推进格式,计算机身和大后掠细长机翼的三维可压缩绕流。对钝头机身,用C-O型网格;尖头机身与大后掠细长机翼用H-O型网格。本文介绍钝头旋成体、带座舱前机身和三角翼绕流的计算结果,显示流场等值M线分布,计算压强系数分布与实验比较,以及三角翼大迎角分离涡等。由于用了隐式残值光顺等加速收敛措施,有效地减少推进步数,节省机时。     

用非结构直角网格和欧拉方程计算飞机绕流

 采用八叉树结构 ,生成复杂外形绕流计算的非结构直角网格。物面附近用投影方法 ,使网格贴体。并将Jameson的有限体积法推广用于这种网格的欧拉方程计算。对歼击机模型的绕流计算表明 ,网格生成的机时花费很少 ,总体质量好 ,因而欧拉方程解算的收敛质量也好。     

三维自适应非结构网格的Euler方程解

 将 Ausm+ 迎风格式应用于三维非结构网格中求解 Euler方程。对单元变量进行重构以获得空间高阶精度,对时间域采用多步龙格库塔法推进,并采用了当地时间步长和隐式残差光顺技术来加速收敛。采用多点择优推进阵面法生成复杂曲面的三角形网格,利用推进阵面法生成四面体网格。采用网格自适应技术对网格进行局部加密,以减少总体网格数目,从而提高计算效率。最后给出了绕 ONERA M6机翼的跨音速流动及绕麻雀 导弹的超音速流动算例,结果表明了本方法的有效性。     

旋翼桨叶绕流Euler方程数值模拟

本研究应用格心格式有限体积法求解欧拉方程,模拟绕旋翼浆叶的流动。旋翼尾流的作用通过自由尾流分析来求解局部的诱导下洗速度以修正翼型攻角。选择O—H型式生成弦向和展向网格。通过算例计算为进一步寻求有效的Euler或NS方程数值解积累了经验。     

用保角转绘坐标解二维和轴对称可压流Euler方程

本文推导出用保角转绘正交曲线坐标表示的二维与轴对称Euler方程,方程中的未知量以曲线坐标方向的速度分量表示,并有不含未知量导数的源项。方程组的形式与直角坐标系中的接近,因而简化了计算。本文将该方程组用于计算二维任意翼型和旋成体轴对称绕流,采用分辨率较高的Eberle特征平均显式有限体积差分算法求解,在不同区域中用不同的显式推进步数加速收敛。本方法已分别对翼型和旋成体轴对称绕流编制了计算程序,可用于自由流为亚声速、跨声速和超声速的绕流计算。大量计算结果表明,本方法精度好,激波分辨率高,编程序简单。     

多重网格法求解二元跨音速欧拉流

 近年来,采用时间相关欧拉方程或N-S方程求解跨音速流得到了迅速发展。为了获得二元或三元复杂形体正确的表面气动参数和足够高分辨率的流场物理特性,必须采用十分细密的网格,因而导致计算时间成倍增长。为此,除继续发展各种差分格式,探讨各种自适应网格技术外,运用多重网格技术加速收敛过程得到了国外普遍关注并取得了一定的成功。国内也已有采用多重网格法解跨音速欧拉流的文章,然而均局限于两重网格的计算。为探索多重网格法和焓阻尼技术对加速收敛的作用,我们以NACA0012翼型的跨音速流动为例,采用MacCormack两步显式格式进行了数值实验。     

非结构网格下Euler方程的高分辨率高精度解

提出了一种非结构网格下求解Ｅｕｌｅｒ方程的高分辨率高精度迎风格式。以Ｒｏｅ的矢通量差分分裂为基础,吸收了ＮＮＤ格式的优点,使其具有捕捉激波和滑移线的良好性能;在时间方向上采用Ｊａｍｅｓｏｎ的Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ积分,并结合局部最大时间步长和残差光滑技术加速收敛。最后成功地完成了二维平板激波反射、跨音速Ｌａｖａｌ喷管内的流动和ＧＡＭＭ超音速前台阶绕流等算例,显示了该方法的有效性     

二维可压无粘流的自适应流量修正有限元解

从非定常Ｅｕｌｅｒ方程组出发,采用非结构三角形网格,研究二维无粘流动问题的自适应流量修正有限元解。将ＦＥＭ－ＦＣＴ与网格自适应相结合计算了ＮＡＣＡ００１２翼型的三个算例。计算结果与实验及其他计算结果比较,亚音速和超音速绕流符合很好;跨音速绕流情况存在一些差别。     

高效欧拉方程解法求解轴对称引射喷管三股流问题

推导了三维流动的广义欧拉方程黎曼增量梯度形式的欧拉方程及其轴对称形式表达，针对引射喷管三股流问题的特点在运动网格下作了H变换。在此基础上将高效欧拉方程解法应用于求解轴对称引射喷管三股流问题，为解决次流通道狭窄带来的问题，采用了弱耦合法处理滑流边界。