CHZ-Ⅱ海洋重力仪研制与实践

海洋重力仪是获取高精度高分辨率海洋重力场的重要仪器,主要应用于资源勘探、大地水准面精化、海洋科学研究和重力辅助惯性导航等领域。我国现有的海洋重力仪主要依靠国外进口,不仅价格高,而且在仪器的引进、维护等方面存在诸多的不便。在科技部首批重大科学仪器专项的支持下,基于CHZ海洋重力仪成功研制出具有完全自主知识产权的CHZ-Ⅱ弹簧式海洋重力仪。该新型重力仪采用金属零长弹簧作为测量元件,其独特的轴对称垂直悬挂结构可克服交叉耦合效应;高精度伺服控制技术及强阻尼的应用可克服载体扰动的影响,确保仪器在不同海况下保持测量精度;高精度恒温技术及温度补偿技术可消除环境温度波动对仪器测量精度的影响。本文介绍了该仪器的工作原理、系统构成、技术特点及测试结果。静态试验表明其月漂移优于3 mGal;码头系泊试验表明其动态精度达到0.2 mGal,能清晰反映海潮的重力变化特征;总航程超过5万海里船载试验表明其综合测量精度优于1 mGal。仪器在精度和稳定性上达到与国内外同类仪器并跑水平,可替代当前国外进口的海洋重力仪。

BDS/GPS新型铷原子钟长期特性分析

铷原子钟具有体积小、功耗低等显著优势,被广泛应用于导航卫星。基于星载铷钟技术发展迅速、BDS和GPS新型铷钟性能尚未得到全面分析的研究现状,对两大系统自2017年后发射的16颗星的铷钟进行了长期特性分析。以GFZ中心提供的BDS精密钟差和IGS中心的GPS最终钟差产品为数据基础,根据卫星钟工作原理确定了各表征部分的分析方法。系统特性方面,通过最小二乘拟合计算了卫星钟的短中期漂移率与频率准确度;随机特性方面,对逐日拟合残差序列进行了计算与长期变化趋势分析,通过重叠Hadamard偏差计算了卫星钟稳定度,分析了不同时段的主导噪声类型;周期特性方面,利用频谱分析方法计算了卫星钟长期表征的主周期项,综合轨道误差和运行等因素分析了周期项可能原因。结果表明:BDS/GPS新型铷原子钟的频率准确度达到10-12量级,秒漂和日漂分别达到10^(-19)和10^(-14)量级,万秒稳定度介于1.82×10^(-14)~2.98×10^(-14)之间,天稳定度普遍达到10^(-15)量级,逐日拟合残差精度达到0.1 ns~0.2 ns;所有卫星钟差序列周期特性显著,前三个主周期近似为卫星轨道周期的1倍、2倍和3倍左右。

基于位置观测信息的Davenport四元数DVL标定方法

多普勒计程仪(Doppler velocity log,DVL)能够实时为捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)提供外部速度辅助信息,准确稳定的DVL标定工作对提升SINS/DVL组合导航系统的性能具有重要意义。为有效解决此问题,提出了一种基于位置观测信息的Davenport四元数标定方法。在所提方法中,通过基于多普勒测速原理的位置观测推算标定刻度因子误差以减小速度量测噪声的不利影响,利用基于Davenport四元数方法的位置观测矢量方程解算标定安装角误差以增强旋转矩阵求解的稳定性。船载湖试结果表明,相比于现有方法,所提标定方法在简单和复杂的机动情况下均具有更高的准确度和更好的稳定性。

基于集成学习模型的光纤陀螺温度漂移补偿

为了减小光纤陀螺(FOG)的温度漂移误差以提高导航精度,从FOG温度误差机理出发,利用Bagging集成学习技术泛化能力强的优点,采用Python语言将分类回归树(CART)集成,建立了FOG温度漂移误差的CART-Bagging模型。最后,利用某型FOG温控试验的实测数据,使用此模型进行补偿实验;同时与单反向传播(BP)神经网络模型和CART模型的补偿效果进行对比分析。结果表明:相比于单BP神经网络模型和CART模型,使用CART-Bagging模型补偿后,FOG温度漂移误差减少了59%以上,具有更好的补偿效果。

GPS姿态测量技术综述

利用GPS进行载体姿态测量是GPS应用的重要分支,是目前国内外研究的热点之一.与传统的姿态测量系统相比,GPS姿态测量系统成本低廉,精度适中.与GPS定位技术相比,它是GPS应用的一个全新领域.文中综述了目前正受到广泛重视的多天线GPS姿态测量技术,并提出了该技术研究发展的方向.

基于遗传算法的航向测量误差分析

提出了一种基于遗传算法的高精度航向测量误差分析的方法,测量模型由2台全站仪组成.通过最佳保留策略和带约束条件的遗传算子,保证该算法具有全局搜索能力.分析结果表明,遗传算法的搜索空间仅为整个搜索空间的0.03%,该模型在现有码头条件下航向测量的精度可达到4″,满足对舰船导航设备高精度航向标校的要求.

基于遗传算法的GPS姿态测量技术

提出了一种新的GPS载波相位姿态测量搜索技术。它是一种基于遗传算法（GeneticAlgorithm,GA）,采用二值编码、最佳保留（Elitist Model）选择机制和模糊度函数法的适应度函数,并以分级方式（粗搜索GA和精搜索GA）进行最优搜索,实现GPS姿态快速测定。试验结果表明:该方法对复杂搜索空间的搜索效率高、速度快,并且对周跳不敏感。

航空摄影陀螺稳定平台

本文采用3个二自由度挠性陀螺仪构成陀螺稳定平台,实现中等精度的电控罗经、高精度的方位水平仪和稳定平台等功能。陀螺稳定平台对飞机飞行条件依赖较小,能承受30 g冲击加速度,正常启动时间10 min,水平精度≤0．2°,方位漂移精度≤0．2°/h,方位任意预置并连续显示,其整体技术性能优于LEICA公司PAV30型陀螺稳定平台。在北京地区、华中地区进行了5次不同高度飞行实验,精度满足航空摄影要求。

单轴旋转惯导系统“航向耦合效应”分析与补偿

从单轴旋转惯导系统的误差方程出发,分析载体角运动对系统的影响,从改变IMU旋转角速率的角度补偿系统的"航向耦合效应"。针对绕载体系Z轴正反旋转的单轴旋转系统,载体航向运动与IMU的旋转运动耦合改变了从旋转坐标系到导航坐标系的坐标变换矩阵的形式,从而影响系统误差调制效果,导致系统的"航向耦合效应"。为保证该坐标变换矩阵的周期性,考虑改变IMU的旋转角速率,使之绕导航系而非载体系匀速旋转,隔离载体航向运动与IMU旋转运动的耦合,补偿航向运动对系统的影响。最后,利用海上试验实测的姿态和航向数据进行了单轴旋转惯导系统的误差仿真。结果表明,采取"航向耦合效应"补偿方案时,无姿态运动条件下系统位置误差减小一半;在实际姿态运动条件下,系统误差减小三分之一。

潜艇真航向测量系统

论述了潜艇真航向测量系统(DSSTH)的总体设计和各分系统设计,介绍了系统中采用的时间同步技术和改进的平移不变小波降噪算法。信息组合控制中心子系统采用INS、GPS、计程仪等导航信息组合,利用联邦卡尔曼滤波算法提高了整个系统精度;首次采用了高精度自动跟踪全站仪组成光学校准分系统测量校正导航系统,校正航向精度达到30″;采用多种关键技术和系统的整体优化设计,DSSTH航向动态测量精度达到0.03°。

惯性传感技术发展与展望

利用GPS辅助INS的系统已在各种应用领域崭露头角,这些新的应用领域将驱动市场对极低成本惯性传感器的大量需求。在回顾惯性传感技术的发展历程、研究热点、应用领域的基础上,讨论和展望了光纤陀螺仪、微机械陀螺仪和加速度计,以及微型光学传感器技术近期和远期的发展趋势。

GPS姿态测量并行遗传算法快速搜索技术

提出了一种基于并行遗传算法细粒度模型和模糊度函数法的GPS姿态测量快速搜索技术 (ambiguityfunctionparallelgeneticalgorithms,AFPGA) ,它能够避开整周模糊度的求解而直接解算载体的航向和姿态 .AFPGA采用个体邻域间的进化 ,既具备了较强的全局搜索能力 ,又减小了各处理器之间的数据通信量 ,从而保证在获得全局最优解的前提下加快姿态解算速度 ,并易于算法的硬件实现 .运用AFPGA对一组GPS实测数据进行了 1 0 0次独立搜索 ,得到 :航向角搜索方差为 0 .2 4°,俯仰角搜索方差为 0 .1 5°;平均搜索时间为 0 .6s,成功率为 1 0 0 % ,搜索空间为模糊度函数法的 0 .0 5 % .通过对AFPGA不同的模型进行分析 ,并与SGA(simplegeneticalgo rithm) ,AFGA(ambiguityfunctiongeneticalgorithm)进行对比 。

BDS快速钟差预报方法对比分析

随着北斗卫星导航系统(BDS)的全面开通,研究适用于BDS卫星原子钟的钟差预报方法具有重要意义。针对BDS卫星钟差数据的特性,首先对常用的多项式模型和灰色模型进行介绍推导,然后尝试引入指数平滑法进行快速钟差预报,结合算例对比分析各模型的预报精度和特性规律,结果表明:多项式模型在BDS快速钟差预报中能够取得良好效果,平均预报精度好于其他模型;灰色模型受卫星原子钟类型影响较大,短期预报精度有明显波动;指数平滑法在短期预报中的精度略差于多项式模型,针对性能较差的钟的预报效果要好于灰色模型,在长期预报中的预报效果还有待进一步研究。

AR模型在陀螺仪性能故障诊断中的应用研究

对惯导系统上的陀螺仪在无故障和故障下输出的信号进行分析 ,计算出信号的特征量———均值、标准差、协方差 ,并用现代谱分析技术中参数模型功率谱分析的方法 ,建立信号的AR模型、绘出AR模型的功率谱图 ,对陀螺仪输出信号的变化进行了比较和分析 。

浅析水下PNT体系及其关键技术

针对水下用户进行了梳理与分类,分析了水下用户对于PNT服务的需求,以及当前水下PNT体系的能力水平距离满足用户长期需求存在的差距。阐述了当前国际上水下PNT体系的建设现状,以及部分国家对于PNT体系建设的规划。在此基础上,分析了未来水下PNT体系的发展方向。最后,从水下PNT特殊性出发,总结归纳了包含惯性、重力/地磁匹配、水声导航、水下PNT能力评估等技术内容的水下PNT关键技术。

综合PNT体系之授时技术

基于“授时战”的概念,阐明了授时技术在综合定位、导航与授时(PNT)体系中的重要作用,分析了当前我国授时能力与军民用户需求存在的差距,以及未来综合PNT体系中授时技术的发展方向。结合我国综合PNT体系的建设需求,总结分析了卫星、长波、光纤、量子等授时技术的特点,并重点介绍了以长波和光纤授时为主要手段的地基授时系统,完成了实验系统的搭建,授时精度优于0.6ns。

基于统一方程多种配置的GF-INS技术研究

采用加速度计取代陀螺仪作为惯性测量元件构建的无陀螺惯导系统(GF-INS),具有成本低、体积小、机动性能好等优点,已成为近年来惯性技术应用领域的研究热点。文中从理论上分析研究了GF-INS加速度计的输出方程,提出了基于统一方程的GF-INS解算的一般过程,并进行了理论推导。研究表明,不同加速度计配置方案只是选取了不同的参数,解算本质是一致的。结合国内外相关研究成果,对GF-INS的研究与发展提出了若干建议。

捷联惯导系统改进回溯快速对准方法(英文)

快速性是捷联惯导系统初始对准的一项重要指标。回溯算法通过存储一段时间的陀螺仪和加速度计的数据,并反复加以利用的方式,有效缩短了对准的时间。为了进一步提高初始对准的快速性,设计了一种快速回溯对准方法(FBA)。优化对准方法被用于算法的粗对准阶段,为回溯罗经法精对准提供较为准确的初始姿态,进而提高罗经回路的收敛速度。分析了回溯算法的基本原理,设计了快速回溯对准算法的实施过程。实验结果表明,提出的算法能够降低回溯次数,大大减少对准所需的数据量,使得对准的快速性进一步提高。

北斗二代导航信号抗多径性能分析与仿真

针对北斗二代导航信号抗多径性能的分析需求,推导了基于相干超前减滞后延迟锁定环的码跟踪多径误差评估方法,运用该方法分析了北斗二代导航信号的抗多径性能,仿真表明在多径直达信号幅度比为-6 dB,相关间距为24 ns,信号带宽为24 MHz时,北斗二代导航信号都能区分大于300 m的多径延迟。以MBOC信号为例对不同的多径直达信号幅度比、相关器间距、信号接收带宽、信号组成时导航信号的多径性能进行了仿真。结果表明:在多径直达信号幅度比一定时,提升信号的高频分量,在接收端采用窄相关技术和宽的接收带宽可将北斗二代导航信号的多径误差限制在4 m以内,且衰减速度更快,从而改善信号的抗多径性能。

基于新息自适应卡尔曼滤波的加速度计信号降噪

针对加速度计信号降噪中精度有限、噪声统计规律不能完全确定等实际问题,提出了一种新的自适应卡尔曼滤波算法。利用新息自适应估计出了系统噪声和量测噪声的协方差阵,采用不同滑动窗口宽度设计了一组并行滤波器,通过加权优化获得了一个综合自适应滤波器,从而使该降噪方法不仅具有噪声自适应估计能力,而且对新息方差估计所需的滑动窗口宽度的选取进行了优化。理论上推导了该降噪算法的基本过程,并进行了加速度计实测数据降噪试验。试验结果表明,该降噪方法能获得较好的滤波效果,降噪后加速度计信号的噪声方差强度减少了5个数量级。