“制导与控制基础”空天深度融合教学改革与探索

“制导与控制基础”是仪器科学与技术、控制科学与工程等相关专业本科生的重要课程之一。根据“双一流”课程建设目标和培养要求,针对本科生“制导与控制基础”课程,分析现状及存在问题,探索与设计以突出空天深度融合、创新教学手段、培养宽口径复合型航空航天创新人才为导向的教学内容优化、教学手段创新等方面的课程改革方案,强化基础理论内容,增加前沿技术讲授,开发教辅平台动画,全面提高本科课程教学质量和人才培养质量。

微波宽带超高精度双向时间比对技术研究

当前微波双向时间比对技术广泛应用于视距区域站间时间同步领域,能够达到纳秒站间时间同步水平,对于时间同步指标更高的应用场景还有待进一步提升。本文利用大带宽扩频信号和载波相位在时间测量性能方面的潜在优异性能,提出了基于宽带信号调制解调技术的微波双向载波相位时间比对方法,设计了原型试验系统,利用氢原子钟和相位微跃计验证了实验室条件下系统的测量不确定度(A类)0.27 ps和分辨力4 ps,达到了预期效果,为后续远距离试验和应用推广奠定了坚实的技术和试验基础。

MEMS器件捷联惯导系统旋转调制技术

使用微机电(MEMS)惯性器件利于捷联惯导系统的低成本和小型化,但MEMS器件误差较大.为提高系统精度,引入了一种全自主误差补偿方法——旋转调制.说明了旋转调制对常值误差的抑制作用和对导航精度的改善效果,并在旋转轴数目、旋转方向、旋转连续性和旋转速度等方面比较了不同旋转调制方案.根据MEMS器件的误差特性,选择了一种适合MEMS器件捷联惯导系统的旋转调制方案并自主研发了原理样机.静态和车载实验表明:旋转调制可以明显抑制MEMS器件常值误差对导航精度的影响,200 s内俯仰和横滚姿态精度提高了5倍,速度和位置精度提高了近10倍.

基于飞行器三维组网测距信息的导航误差估计技术研究

本文针对提高无卫星导航定位系统中惯导系统导航定位精度的问题,提出了基于飞行器三维组网测距信息的导航误差估计技术,利用飞行器间测距信息对惯导系统误差进行修正,能够显著提升三维组网中飞行器的导航定位精度。首先,分析了飞行器三维组网导航原理,设计了系统技术方案,并提出了一种导航效果评估方法。其次,详细研究了基于测距信息的三维组网导航误差估计算法,构建了误差估计模型。最后进行了仿真验证,结果表明:对一个由4个飞行器组成的组网,当测距误差为20 m时,经过10 min组网导航飞行,惯导位置误差可提高2倍以上;当组网中还包含一个高精度组合导航校正站时,经过10 min组网导航飞行,飞行器的惯导位置误差可提高一个量级,验证了本文所提基于飞行器三维组网测距信息的导航误差估计技术的有效性。

复杂环境下基于自适应卡尔曼滤波的时间比对跟踪算法

在雷达、车载等动态协同组网系统中,高精度时间同步是该系统正常工作的基本条件。但是在动态组网系统或者低截获场景下,时间比对信号强度弱,并处于动态场景,此时时间同步系统鲁棒性差、同步精度低。因此,需要提高时间同步系统在复杂的动态组网系统下的时间同步精度。调制解调器是双向时间比对系统的核心设备,而跟踪环路是其中关键部分。复杂场景下跟踪环路很容易失锁,为了提高跟踪环路鲁棒性,该文提出一种基于自适应卡尔曼滤波(AKF)的跟踪算法。该算法引入自适应因子来调节系统噪声协方差矩阵,从而应对外部变化的输入信号。试验结果显示,与传统锁相环跟踪环路(PLL)和标准卡尔曼滤波跟踪环相比,在弱信号和动态信号同时存在时该算法跟踪鲁棒性和自适应性更好,并且算法复杂度不高。该算法对于提高动态协同组网系统的时间同步精度具有重要意义。

基于FFT的伪码捕获技术研究与实现

介绍了快速傅里叶变换捕获技术的算法及原理,设计了一种FFT伪码快速捕获的硬件实现方案和测试方案,并详细分析了整个系统的结构。借助FPGA平台进行开发验证,利用MATLAB仿真软件和QuartusII内嵌的逻辑分析仪SignalTapⅡ进行仿真测试,系统仿真和实际测试结果表明该捕获电路能够正常工作,并已经应用于GNSS接收机的开发。

伪码扩频测距系统中多径误差的实验测量与分析

利用扩频测距发射与接收设备,设计了多径误差测量实验,获得了测距误差随多径延迟变化的实测数据,并针对实验进行理论建模与分析仿真,计算结果与实测数据基本吻合,证明了扩频测距系统中多径分析与仿真模型的正确性,确认了多径引入的扩频测距误差的影响量级。

卫星双向时间频率传递调制解调器研制进展

卫星双向时间比对调制解调器是卫星双向时间比对系统的核心设备,文章介绍了北京无线电计量测试研究所自主研发的卫星双向时间比对调制解调器(BIRMM modem)的研制情况,该设备具备1Mchip/s,2.5Mchip/s,5Mchip/s三种码速率,最多可拓展10个通道,中频输出频率70MHz。通过本地上星比对试验对BIRMM modem的核心性能指标进行了分析及评估。测试结果表明:BIRMM modem的时间比对精度优于0.3ns。

振荡器稳定度时域-频域参数转换的新方法

依据相位起伏谱密度至阿伦方差的转换公式,提出了一种由阿伦方差至相位起伏谱密度转换基本数学模型,考虑到转换结果的不唯一性,采用相位起伏谱密度的通用幂律模型,给出了转换方法的约束最大似然解,并结合正则化方法消除模型求解过程中的病态特性.计算表明,由该方法转换所得的相位起伏谱密度与真实谱密度数据能很好地吻合;此外,还分析了正则化因子的选择与输入阿伦方差参数的选择对反演性能的影响.

全新卫星双向时间比对调制解调器设计

卫星双向时间频率传递是目前被广泛应用的远距离高精度时间频率量值传递方法,其核心组成设备是双向时间比对调制解调器.文章介绍了由北京无线电计量测试研究所研制的卫星双向时间比对调制解调器,该设备采用直接序列扩频(DSSS)和二进制相移键控(BPSK)方式完成时间信号的调制,采用快速傅里叶变换(FFT)算法实现对信号的快速搜索和捕获;利用二阶锁频辅助三阶锁相环路达到动态性能和跟踪精度的平衡;采用二阶延迟锁定环(DLL)来实现对码相位的精密跟踪和测量.采用两个1.2m口径天线的双向比对地球站进行短基线卫星双向时间比对试验,试验结果表明当系统工作在2.5MChip/s码速率时,该调制解调器的时间比对精度(标准偏差(1σ))能够达到0.13ns.

用于卫星双向时间传递系统的调制器设计

设计开发了一种用于卫星双向时间传递(TWSTT)系统的调制器,详细介绍了该调制器的内部结构和相关算法。采用FPGA和DDS进行硬件实现,并完成系统的仿真测试。该调制器的中频输出频率为70 MHz,峰值输出功率为-15 dBm。

卫星双向时间传递调制解调器跟踪环路设计

精密跟踪技术是高精度伪码测距系统中的关键技术,根据卫星双向时间比对调制解调器的工作特点,对解调器的跟踪环路进行了研究,并利用Matlab进行环路设计与仿真,分析了不同载噪比、不同环路带宽条件下跟踪环路的性能;根据软件仿真结果,在DSP+FPGA硬件平台上加以实现,给出测试结果,并最终应用到自主开发的卫星双向时间比对调制解调器上,测量不确定度优于1ns。

高精度光纤时间频率一体化传递

为满足各工程应用领域对于高精度时间频率同步的需求,降低系统复杂度,保障大规模光纤时频传递网络的顺利建设,该文提出基于伪码调制技术的光纤时间频率一体化传递方法,设计并搭建了光纤时间频率一体化传递系统,完成了光纤单向和双向时频一体化传递。在单向时频传递试验中,分析了温度变化对于系统传输时延的影响;在双向时频传递试验中,实现了时间频率的高精度传递,系统附加时间传递抖动为0.28ps/s,0.82ps/1000s,附加频率传递不稳定度为4.94×10^-13/s,6.39×10^-17/40000s。试验结果表明,该方法实现了时间、频率一体化高精度同步,且系统附加时间传递抖动优于目前各光纤时间同步方案。

光纤时频传递技术进展

光纤信道具有传输稳定、带宽大、不易受干扰等特点,近年来在高精度时间频率传递方面得到广泛的应用。目前,在区域地区内通过光纤网络传递时间频率信号的实现方案主要分为3类:光纤微波时间频率传递方案、光纤光频传递方案、基于光学频率梳的光纤时间频率传递方案。最新的报道表明,光纤微波时间频率传递方案的频率传递稳定度已达到5×10^-19/d,时间传递稳定度达到11ps/d;光纤光频传递方案的频率传递稳定度达到7.5×10^-20/10ks;基于光学频率梳的光纤时间频率传递方案的频率传递稳定度达到1.7×10^-18/100s,时间传递稳定度达到飞秒量级。鉴于光纤时频传递技术的飞速发展,综述了光纤时间频率传递技术的发展历史,总结了各类光纤时频传递的具体实现方案及其性能,评述了各种光纤时频传递的实现方案。

卫星双向时间频率传递校准技术综述

卫星双向时间频率传递技术是高精度时间频率远程比对的基本手段,其时间比对A类标准不确定度优于0.1ns,B类标准不确定度主要取决于系统的校准。本文简述了卫星双向时间频率传递的基本理论,着重说明各种卫星双向时间频率传递系统校准方法和硬件实现,对各种校准技术进行评述和比较,总结并展望了校准技术发展的方向。

卫星双向时间频率传递研究进展

介绍了卫星双向时间频率传递的基本原理和技术演进,重点论述了基于伪码相位测量的卫星双向时间频率传递方法及其误差来源,阐述了双伪码卫星双向时频传递技术、载波相位卫星双向时频传递技术和卫星双向日波动效应等重点研究方向的最新进展。针对制约卫星双向时间频率传递技术性能提升的主要问题,给出了相关发展思考。

基于FBOC调制的高精度光纤双向时频比对方法

为了提高光纤双向时频传递系统的传递精度,解决系统码相位测量不确定度过大的问题,提出了一种基于灵活二进制偏移载波(FBOC)调制方式的光纤双向时频比对方法,利用FBOC调制信号的良好自相关特性,降低码相位测量不确定度,在100km室内光纤中完成了实验验证,时间传递稳定度达到3.37ps/s,频率传递稳定度达到4.74×10^(-16)/40000s;仿真了FBOC调制信号的码相位测量不确定度,其值约为3.5ps,远小于传统二进制相移键控调制信号的码相位测量不确定度。

From Allan Variance to Phase Noise:A New Conversion Approach

A new mathematical method is proposed to convert the oscillator instability parameters from Allan variance to Spectrum Density(SD)of random phase fluctuations,which is the inversion of the classic transformation formula from SD to Allan variance.Due to the fact that Allan variance does not always determine a unique SD function,power-law model of the SD of oscillator phase fluctuations is introduced to the translating algorithm and a constrained maximum likelihood solution is presented.Considering that the inversion is an ill-posed problem,a regularization method is brought forward in the process.Simulation results show that the converted SD of phase fluctuations from Allan variance parameters agrees well with the real SD function.Furthermore,the effects of the selected regularization factors and the input Allan variances are analyzed in detail.

基于光纤陀螺的旋转惯导数字稳定回路设计与实现

为进一步提高基于光纤陀螺的旋转捷联惯导系统导航精度,设计了一种数字式稳定控制回路.分析了捷联惯导系统对稳定回路控制的要求,建立了简单实用的稳定回路模型及其各参数的测试方法,并研究了一种PII2的控制方法及相应控制系数的选取策略.仿真对比结果表明,在以光纤陀螺组成的稳定回路中,相比于传统PID控制,PII2控制能有效减小角度静差.实验测试结果表明,该稳定回路达到了较高的动态精度,满足设计要求.