基于DSP和FPGA的静电悬浮加速度计控制器设计

针对静电悬浮加速度计高稳定悬浮控制和极微小加速度信号处理需求，设计了一种基于数字信号处理（digital signal processor,DSP)和现场可编程门阵列（field programmable gate array,FPGA)的加速度计控制器。该控制器采用DSP作为主控芯片，FPGA为辅助控制芯片。基于加速度计的工作特性，设计了一种加速度计工作模式切换控制策略，可根据加速度计当前工作状态，自动或者手动切换工作模式。基于加速度计的工作原理和测量需求，设计开发了基于FPGA的比例、积分、微分(proportional integral derivative,PID)控制算法和有限冲击响应(finite impulse response,FIR)滤波算法。为验证该控制器的控制性能，开展了地面高压悬浮实验。结果表明，该控制器及控制算法可以快速准确地实现加速度计稳定悬浮控制和模式切换，并且可以实现软件在轨重构和控制参数在轨更新，为后续重力场探测、空间引力波探测以及自主导航等提供了工程参考依据。     

基于斩波技术的静电悬浮加速度计驱动电路噪声抑制方法研究

静电悬浮加速度计驱动电路作为整机噪声的主要来源之一,其低频噪声性能直接决定静电悬浮加速度计整机分辨率。为满足静电悬浮加速度计驱动电路超低测量频带内（1mHz~1Hz）噪声均低于5×10-5V/Hz1/2要求,依据斩波稳定技术对于低频噪声的抑制作用,设计了基于斩波稳定技术的静电悬浮加速度计驱动电路。对实际电路进行测量,利用静电悬浮加速度计噪声曲线拟合测量结果。结果表明,经斩波后驱动电路低频噪声转折频率与低频噪声均下降一个数量级,在测量频带内电路噪声均低于2×10-5V/Hz1/2,满足了设计指标要求。     

重力卫星在轨质心修正原理

静电悬浮加速度计在重力卫星上的安装位置将直接影响重力卫星的非重力测量结果,进而影响高精度地球重力场的恢复。为了彻底明确该影响的存在方式,现从基本动力学方程出发,推导出了卫星在轨飞行期间遭受的各种非重力和地球引力、太阳和月球等天体的潮汐力等,与静电悬浮加速度计输出之间的矢量表达式。获得的表达式从理论上明确了消除重力卫星质心偏差的实际意义,是重力卫星质心修正的理论依据。     

石英挠性加速度计测量航天器微振动的方法

利用高精度石英挠性加速度计可以测量航天器低频微振动,同时也可实现航天器在轨微角振动的间接测量。针对航天器特点,结合石英挠性加速度计工作特性,提出用高精度石英挠性加速度计测量航天器微振动的方法,给出微振动加速度、角加速度、角速度和角位移的不确定度分析,根据测量原理给出了各影响因素对测量合成不确定度的计算方法和分析结果。针对卫星敏感载荷的刚体平面测试环境,设计8个加速度计测点布局,开展了整星试验。试验数据分析表明:石英挠性加速度计可准确测量航天器的低频微振动(200 Hz以内),其直接测量和间接测量结果满足测量应用需求,线加速度测量分辨率为5μg,角位移测量分辨率为0.015″。     

一种重力测量卫星静电加速度计在轨标定算法

静电加速度计是低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星的关键载荷之一,其性能直接影响地球重力场空间变化率的测定结果。为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合扩展卡尔曼滤波估计算法,提出了一种应用动力学方法确定静电加速度计校准参数的算法。首先建立静电加速度计及K频段测距(KBR)系统的量测模型;然后将高精度地球重力场模型和静电加速度计观测数据代入扩展卡尔曼滤波算法的状态方程中,将KBR系统观测数据代入观测方程中,建立静电加速度计在轨标定模型。数学仿真结果表明:静电加速度计的标度因子和零偏估计误差均在0.2%以内,实现了卫星静电加速度计较为精确的标定。     

高精度加速度计测试标定系统的构建

加速度计是惯性导航系统的重要测量器件之一,加速度计的发展趋于高精度、小型化的特点,高精度加速度计的测试标定也面临前所未有的挑战.针对偏值重复性优于0.1 μg,标度因数重复性优于0.1 ppm的高精度加速度计的测试标定系统的构建,通过对加速度的输出参数模型、输入信号的给予能力以及输出信号的获取能力等方面进行综合分析,识别出稳定重力场、高精度位置转台、精密采样电阻、高精度信号采集系统、恒定的测试温度等影响高精度加速度计标定结果的关键因素并对其进行了验证,为构建高精度加速度计测试标定系统提供依据.     

静电悬浮加速度计控制器设计分析

对静电悬浮加速度计控制器的设计进行了详细的理论分析,得出了加速度计控制系统稳定时,必须满足的加速度计电容极板和检验荷载的距离参数、电极板面积参数、电压参数与检验荷载的质量以及气体阻尼系数与控制器参数之间的关系式,并进行了计算机仿真试验,证明该关系式是正确的,可用于静电悬浮加速度计控制器分析设计。     

用于微振动测量的高精度加速度传感器标定方法

微振动试验中所用的加速度传感器简称高精度加速度传感器,其相比于常规加速度传感器测量量级很低,可以达到10-5g量级甚至更低,用常规的加速度动态标定技术无法实现该量级水平的标定,也无从验证其测量精度的准确性。针对高精度加速度传感器测试精度的标定难题,文章提出在气浮台上设置比对梁的方法,通过激光测振仪和高精度加速度传感器对同一测点进行测量,并将两者的测量结果进行比对分析,以标定高精度加速度传感器的低量级测试精度。同时设计试验对手头现有的微振动加速度传感器进行标定以验证该方法的有效性,试验结果表明:利用激光测振仪标定现有高精度加速度传感器得到的比对结果符合预期;高精度加速度传感器测得的时域波形及频域波形与激光测振仪测得的基本一致,比对偏差在10%左右,满足标定方法要求。     

静电悬浮加速度计的地面重力倾角标定方法

静电悬浮加速度计是重力场测量卫星上的主要载荷之一,其传感头（飞行件）需要在环境试验前后进行地面重力倾角标定。由于敏感轴之间的耦合机理不同于传统加速度计,所用的模型方程亦有所差别;由于失准角远大于量程范围内的重力倾角,无法采用传统的静态标定法确定模型方程各参数。必须采取技术措施使得三阶非线性系数可以忽略,才能在专用摆台上用动态标定法大致判断标度因数和检验成对加速度计模型方程各参数的一致性,用电模拟法得到二阶非线性系数。对动态标定法,提出了防止频谱泄漏和幅度谱中压低噪声干扰幅度的措施。对电模拟法,用实例给出了具体实施方案和效果。
     

旋转式平台惯导加速度计尺寸效应分析及高精度补偿

为提高HRG平台惯导系统的自主导航精度,利用旋转平均技术组建了HRG旋转式平台惯导系统.针对旋转式平台惯导系统在导航过程中台体绕台体轴的往复旋转会引起加速度计尺寸效应误差的问题,在对加速度计尺寸效应误差的产生机理进行深入分析的基础上,结合旋转式平台惯导系统的特性,提出将坐标变换矩阵完整的旋转矢量表达式代入速度和位置更新方程,建立了加速度计尺寸效应的高精度补偿算法,并讨论了减小加速度计尺寸效应所引起的发散的位置误差的方法.仿真实验结果表明,这种算法能够有效减小加速度计尺寸效应引起的速度误差和位置误差,从而验证了文中理论分析的正确性及所建立的补偿算法的有效性.     

X射线脉冲星导航及其潜在应用

X射线脉冲星导航就是在航天器上安装X射线探测器,探测脉冲星辐射的X射线光子,测量脉冲到达时间（TOA）和提取脉冲星影像信息,经过相应的信号和数据处理,航天器自主高精度确定轨道、时间和姿态等导航参数的实现过程。本文在概述脉冲星导航技术发展历程和国外X射线脉冲星导航计划的基础上,分析国内开展X射线脉冲星导航技术研究的基础条件,并详细论述X射线脉冲星在导航卫星自主导航、深空探测与星际飞行、以及空间科学研究等领域的潜在应用价值。这表明X射线脉冲星导航是实现真正意义上的航天器高精度自主导航的一种有效模式和可行途径,对于国防和国民经济建设具有重要的战略研究意义。     

一种可重复使用助推飞行器导航方案研究

介绍了重复使用助推飞行器（RBV）技术发展概况和三种典型回收方案,并对火箭动力自主返场RBV的导航系统方案进行了研究。根据高精度自主导航需求,确定了惯性＋卫星＋无线电的导航系统方案。基于动态贝叶斯理论和联邦滤波基本原理,提出了一种新的多传感器信息动态融合方案和算法。针对某飞行轨迹,对导航方案和算法的仿真验证结果表明：在整个返场飞行过程中,方案能实现RBV的高精度自主导航。     

基于跟瞄和加表PI滤波近程相对导航方法

针对由于加速度计存在漂移和目标星加速度未知,基于C-W(Clohessey-Whiltshire)方程递推的近程相对导航无法长时间使用的问题,提出了一种基于跟瞄相对测量信息修正相对位置/相对速度误差和估计加表漂移的方法,并给出了比例积分(PI)滤波近程相对导航算法。最后,进行了工程应用方式分析和仿真验证。相对位置误差估计精度优于50 m。仿真结果表明:该方法既能确保相对位置和相对速度输出的连续性,又可抑制跟瞄观测噪声并消除长时间积分累积误差。基于PI滤波的近程相对导航方法计算简单,易于工程实现,且已通过在轨考核验证。     

基于低轨卫星增强的非差高精度导航定位技术与在轨试验验证

随着自动驾驶、精密农业等领域的发展,各领域对高精度导航定位的需求不断增加。在地基增强技术、高轨星基增强技术和传统非差精密单点定位技术的基础上,提出了一种基于低轨卫星增强的非差高精度导航定位技术,研制了基于低轨导航增强技术的低轨导航增强载荷,开发了基于低轨卫星增强的地面自适应卡尔曼滤波非差高精度定位软件,并进行了全球首次基于低轨卫星的信号信息一体化导航增强在轨试验。试验表明:经低轨卫星增强后,地面终端用户定位精度优于30 cm。最后,给出了该技术的后续研究方向,为未来低轨导航增强系统与其他增强系统协同工作,实现广泛应用奠定了基础。     

基于双回路扩展卡尔曼滤波的惯性平台连续自标定

为解决传统的惯性平台连续自标定中,由于系统非线性强、状态向量维数大引起的滤波收敛速度慢、对滤波初始条件敏感等问题,研究了一种双回路扩展卡尔曼滤波方法。首先给出了平台连续自标定的误差模型;然后根据加速度计误差与导航误差之间的关系,对加速度计输出进行预滤波得到加速度计输出误差;同时通过分析陀螺仪误差在平台连续自标定过程中的传播特性,将耦合在加速度计输出误差中的陀螺仪误差解耦;最后以陀螺仪误差和加速度计输出为观测量,建立了陀螺仪和加速度计的扩展卡尔曼滤波方程,分别对陀螺仪和加速度计误差系数进行标定,实现双回路扩展卡尔曼滤波。仿真结果表明,该方法能够在900 s内以低于0.05%的相对误差标定出所有的平台误差系数,并且对滤波初始条件不敏感,可以有效地扩展连续自标定方法的实际应用。     

高精度准光天线装配校准测量技术研究

高精度准光天线尺寸小、部件多、结构紧凑且复杂,工作频率达到数百赫兹以上,这些特点对天线的装配校准和测量提出了高精度、高效率和高可靠的需求.基于此,针对天线装配校准过程提出了一种统一基准定位装配技术,实现了天线反射镜、馈源喇叭、频选和线栅等部件的高精度可靠装配,并降低了最终装配累积误差的影响,同时针对测量过程,提出了一种基于激光测量和数模比对技术建立虚拟基准用于高精度天线多部件形状位姿等装配精度测量的新技术.解决了目前高精度准光天线各部件装配精度测量的难题,提高了准光天线装配校准测量的精度和效率,对后续相关类型天线的高精度装配校准和测量具有重要的指导意义.     

静电加速度计对重力卫星平台的要求分析

静电加速度计是重力卫星的核心有效载荷,其非保守力测量精度是地球重力场反演任务成功执行的有效保证。文章分析了静电加速度计的测量信号以及对重力卫星平台的指标要求,重点指出满足这些要求应解决的关键技术,最后建议我国开展重力卫星研究。     

地月空间星地双向单程测量高精度模型

针对使用星地双向单程测量技术实现给定场景下的地月空间高精度测量问题,建立了地月空间纳秒级星地时差解算模型与米级瞬时距离解算模型,定量分析了模型中各因素的量级,并对模型中收发时延、引力时延、定轨误差和大气延迟等多种因素引入的时差和距离估算误差进行了定量分析。仿真数据的处理结果校验了误差量级理论分析的准确性,时差估算的均方根误差优于7.6ns,瞬时距离估算均方根误差优于2.4 m。建立的模型可以对地月空间星地DOWR测量数据进行高精度处理,实现地月空间高精度时间比对,支持未来中国载人登月等任务及地月空间高精度导航技术。     

单通道旋转导弹惯导红外空中交班技术研究

对单通道旋转导弹惯导红外交班中的空中截获技术进行了研究。在固定视场角条件下,针对旋转导弹面对的典型目标,对空中红外截获过程中的精度链进行分配,获得惯性制导段的导航误差,并对导航误差进行分解,获得了满足红外导引头半视场角4°且落入概率84%时MEMS陀螺和加速度计的性能指标。选取相应的惯性器件,用误差分析方法获得了雷达测角误差和测距误差引起的截获误差,以及惯导在导航解算中产生的误差。对典型弹道空中截获落入概率进行了计算,结果验证了精度分配的正确性。研究为单通道旋转导弹惯导红外的空中截获技术的工程实现提供了理论依据。     

基于自适应滤波的飞艇组合导航系统研究

研究一种基于自适应滤波的飞艇组合导航系统。采用低精度光纤陀螺和石英加速度计构造惯性测量装置(IMU),研究其高精度导航解算算法;对标准的Sage-Husa自适应滤波方程进行简化变形,设计IMU/北斗组合导航自适应滤波算法,解决组合导航系统噪声和量测噪声统计特性不确定问题。仿真结果表明,在长航时复杂恶劣环境下,基于自适应滤波的IMU/北斗飞艇组合导航系统仍具有较高的导航精度和优越的抗干扰能力,具有良好的工程应用前景。