基于螺旋理论的航天器姿轨耦合分析

针对航天器运动姿轨耦合性问题,对基于螺旋理论得到的航天器运动模型,定性地分析了姿轨耦合特性。采用参数分析法,从模型所包含的耦合项出发,逐次改变各个参数,进而推导出对应的耦合表达式。为了检验耦合性对控制效果的影响,设计了PD 控制律并进行数值仿真。理论分析和仿真结果进一步证明,基于螺旋理论的航天器姿轨模型,其姿态和轨道运动之间是相互影响的,从控制角度而言,姿态运动对轨道运动影响相对更为严重,容易出现了大的振荡,而轨道运动对姿态运动的影响基本可以忽略,为工程实践提供参考。     

超声速钝体空气和钾元素混合物喷流流场的数值研究

利用数值求解化学非平衡Navier-Stokes方程的方法,对有自由来流情况下喷流介质为空气和钾元素混合物的超声速钝体喷流流场进行数值模拟,分析喷流总温对模型周围电子密度分布的影响和喷流对模型气动力分布的影响,探讨利用喷流达到飞行器等离子体隐身方法的可行性。研究结果表明:在喷流总温T0j=2000K-3000K和喷流介质钾元素的质量分数为0.02和0.05的情况下,在模型周围可形成峰值电子数密度Ne=1011~5×1014/cm3的等离子体层,而且模型的阻力可降低35%。     

混合式惯导系统姿态四元数连续自标定模型

混合式惯导系统作为一种新型惯导系统,具有三轴全姿态物理平台、捷联姿态算法和系统装机自标定等特点。针对以上特点,为提高其导航定位精度,在混合式惯导系统框架角约束方程的基础上,利用姿态四元数代替欧拉角描述混合式惯导系统中三轴物理平台的转动,建立了一种混合式惯导系统姿态四元数连续自标定模型对其进行误差系数标定。针对该模型的特点,对传统的无迹卡尔曼滤波（UKF）算法进行改进,提出了一种基于奇异值分解的四元数无迹卡尔曼滤波（SVD-QUKF）算法进行模型误差系数辨识。仿真和试验结果表明,基于SVD-QUKF算法,四元数连续自标定模型能够以低于1%的相对误差标定出混合式惯导系统所有的误差系数,在标定精度和计算速度上相比基于传统UKF算法的框架角自标定模型都具有一定优势。      

基于EMD的东亚夏季风年代际变化特征及与太阳活动的关系

应用英国气象局哈德利气象研究中心(HadleyCenter)及美国环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的海平面气压(SeaLevelPressure,SLP)资料归一化得出1850-2011年的东亚夏季风指数,利用经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)方法对其变化特征进行分析,得到东亚夏季风指数的周期特征.太阳黑子活动与东亚夏季风活动存在相同的11年及80年左右周期,其中11年周期变化尤为明显.对比1850-2011年间太阳黑子数与东亚夏季风指数经验模态分解后的11年周期变化分量,发现两者波动振幅变化基本一致.     

基于四元数表示法的机器人基坐标系标定方法

在多机器人协同、运动学参数辨识和机器人离线编程等作业任务下,需要标定出机器人基坐标系在世界坐标系中的精确位姿.提出和实施了一种利用四元数表示法进行机器人基坐标系精确标定的方法.利用指数积公式,建立机器人的运动学模型.利用外部测量设备,测量出5个不共面的工具中心点,并记录对应的机器人关节位形.以基坐标系位姿对应的旋转矩阵元素为变量,建立不相容方程组,并求出基坐标系位姿的初步齐次矩阵.由于测量误差和截断误差,初步齐次矩阵的旋转矩阵部分不能满足单位正交阵的性质.利用四元数的几何约束条件,建立罚函数形式的目标方程,将初步齐次矩阵进行正交化修正.通过一系列的实际机器人的标定试验,验证了该标定方法的正确性,并提高了机器人末端的定位精度.      

四元数在弹射座椅性能仿真中的应用

针对弹射座椅性能仿真中欧拉角速率方程在大幅度姿态运动时存在奇异性,以及四元数法由于姿态角的有界性而出现跳跃、难以实现全姿态角的问题,提出了四元数与欧拉角相结合的方法.阐述了四元数的定义、几何意义及四元数表示的运动学方程.通过四元数到欧拉角的转换,给出了仿真中四元数的积分初值计算公式;分析了弹射仿真中姿态角的跳跃和间断问题.以某型号座椅为例进行了仿真计算,通过对比仿真结果和试验数据,确认了仿真的有效性;与采用单一四元数法的仿真结果进行对比表明,该方法充分结合了四元数与欧拉角速率方程的优点,有效解决了欧拉角速率方程的奇异性和弹射仿真中全姿态角的实现.      

BDS/GPS组合的H-ARAIM PBN和ADS-B应用可用性评估

水平-先进接收机自主完好性监测(H-ARAIM)属欧美大力发展的新型机载自主卫星导航完好性监测技术。从H-ARAIM的基于性能的导航(PBN)和广播式自动相关监视(ADS-B)应用方法出发,基于美国全球卫星导航系统(GPS)和中国自主北斗卫星导航系统(BDS)组合系统,综合考虑不同卫星故障概率、不同星座故障概率、不同星钟星历误差配置以及不同星座配置,全面仿真评估了H-ARAIM的PBN和ADS-B应用全球可用性,结果表明:卫星和星座故障概率变化,对水平保护级(HPL)结果的影响不足0.1%,PBN和ADS-B均可实现全球100%可用性;星钟星历误差变化,会导致较大幅度的HPL变化,最大值可达20 m,但对PBN和ADS-B应用可用性没有显著影响;不同星座配置会对全球和亚太区域平均99.9%HPL结果及PBN和ADS-B应用可用性产生显著影响,HPL变化幅度达到32 m,可用性随星座配置不同而变化,最差可降低到96%。所取成果可为北斗民航应用提供坚实的理论参考和可靠的技术支撑。     

基于稳态和非稳态时变可用度模型的适用性

针对METRIC模型中以备件期望短缺数计算的稳态可用度模型能否直接转换适用于非稳态时变可用度模型,扩展METRIC理论,分别建立了仅以备件期望短缺数计算的时变可用度模型和以备件期望短缺数及方差计算的时变可用度模型。在保障系统达到稳态(修复概率为1)和处于非稳态(修复概率小于1)情况下,分别采用2种时变可用度模型计算表决结构单元和串联结构单元的可用度,并与Monte Carlo仿真模型计算得到的结果进行对比分析。结果表明:以备件期望短缺数计算的时变可用度模型仅在串联结构单元且保障系统达到稳态时与仿真可用度值一致,适合于装备全寿命周期内备件配置优化的计算;以备件期望短缺数及方差计算的时变可用度模型无论保障系统处于稳态或非稳态,适应性均较强,适合于任务期作战单元备件配置优化计算。