基于MACF-CKF多传感器融合的姿态解算算法

针对惯性导航测量单元姿态解算精度低的问题,提出了一种基于多传感器隶属度自适应互补滤波(Membership Adaptive Complementary Filtering,MACF)和容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman Filter,CKF)相融合的姿态解算算法。使用指数加权移动平均修正陀螺仪噪声偏差,为了避免出现陀螺仪和加速度计的权重在互补滤波中分配不当而导致俯仰角和横滚角误差较大的现象,通过构造陀螺仪偏差的隶属度函数,判断互补滤波对陀螺仪的信任度,根据信任度动态调整互补滤波自适应因子,同时用磁力计和陀螺仪进行CKF来解决航向角发散的问题。实验表明:所提出的算法无论在静态条件还是动态条件下均能快速、准确实现姿态解算,在动态车载实验中,横滚角和俯仰角精度分别提升了24.5%和63.2%,航向角提升了48.8%,可以保证解算精度。

基于EKF和UKF的随钻姿态解算方法研究

目的为解决煤层松软中随钻测量系统测量精度不高的问题。方法提出一种改进的无迹卡尔曼滤波(UKF)和扩展卡尔曼滤波(EKF),分别应用于钻具的姿态滤波算法中并作比较。该方法基于旋转坐标变换的四元数理论和陀螺测量原理,建立钻具姿态传感器数据的非线性观测方程和状态方程,以四元数将测量数据进行转换与更迭,最终消除惯性传感器数据中的误差。与EKF算法相比较,UKF算法利用了UT变换对非线性函数的概率密度分布进行近似,没有忽略高项阶,因此对于非线性分布的统计量有较好的计算精度。结果经仿真验证,UKF的各个滤波误差峰峰值以及标准差小于EKF。结论改进的UKF的滤波算法精度明显高于EKF滤波算法,更加有效地去除惯性传感器中的干扰噪声,有利于提高微机电系统(MEMS)惯性传感器的测量精度,进而提高钻进效率。

例谈“算两次”原理在解三角形中的应用

“算两次”是数学中一种重要的方法,在教材中有很多的应用.在解三角形问题中应用甚广,教材中的正弦定理、角平分线性质、三角形中线长公式等均可使用这一方法推导获得.下文结合常见的解三角形中的求角、求边以及综合问题,阐述“算两次”这一方法的实际应用.1概念阐述“算两次”是数学中一种重要的方法,也称富比尼(G.Fubini)原理,其本质是用两种方法计算一个量,从相同的结果中得到相等关系或确定不等关系,使问题得到简化.

铁路工程长距离带状GNSS控制网高精度解算

铁路工程控制网三网合一,采用GNSS卫星导航定位基准站(CORS)方式建网是发展的趋势,但其长距离、带状布设的控制网要确保高精度且连续均匀,具有一定的难度。针对长距离带状控制网的特点,分析影响GNSS控制网解算的影响因素,引入IGS站点坐标的松弛约束,筛选出优化解算策略:融合多星座卫星观测数据,基于电离层约束模型求解宽巷模糊度,当控制网的基线长度小于100 km时,对流层延迟采用站间差分改正、电离层延迟采用差分或模型改正,并结合环境条件顾及其他负荷改正。实际铁路工程带状控制网解算测试表明,优化策略控制网处理精度相较于常规策略在Y和Z方向上提升2~5 mm。通过对复杂地形环境下长距离带状控制网的解算质量分析,进一步表明该策略可优化铁路工程长距离带状控制网高精度解算性能。

基于天牛须种群算法的整周模糊度解算算法

如何快速、准确地固定整周模糊度是载波相位测量中的一个关键问题。为了提高整周模糊度搜索速率,提出了一种基于天牛须种群算法(beetle antennae colony search, BACS)的整周模糊度解算算法。通过与BAS算法、BAS-Nadam算法、LAMBDA算法以及MLAMBDA算法进行解算速率、稳定性的对比实验,在三维模糊度解算时,BACS算法在与LAMBDA和MLAMBDA算法解算成功率相当的情况下,能利用更少的时间搜索到模糊度最优解。为了验证BACS算法在高维模糊度解算以及工程解算情况下是否适用,进行了高维模糊度解算的实验以及单频单GPS系统下BACS算法的应用实验。分析及实验表明,BACS算法能很好保证高维模糊度解算的实时性和鲁棒性,对于12维模糊度解算,平均解算时间0.068 s,解算成功率为92%,对于低维模糊度解算,解算速率更快,解算成功率更高。在单频单GPS系统工程解算中,x、y、z方向定位精度分别为±0.008、±0.01、±0.01 m,能达到厘米级精度定位。

Galileo三频非组合PPP相位小数偏差估计与模糊度解算

欧洲的Galileo目前已经有28颗在轨可用卫星,具备全球精密定位能力,并且所有卫星均能够播发多频信号,多频信号融合有望进一步改善精密单点定位(precise point positioning,PPP)模糊度固定解性能.本文研究了Galileo三频非组合PPP相位小数偏差(fractional cycle bias,FCB)估计与模糊度解算(ambiguity resolution,AR)方法,并将其结果同双频非组合PPP模糊度固定解与浮点解结果进行了对比分析.结果表明:利用155个全球分布的地面跟踪站数据进行FCB估计,单个频率上的FCB估值序列标准差(standard deviation,STD)优于0.04周;双频PPP浮点解在E、N、U方向收敛时间分别为32.0 min、10.0 min、43.5 min,双频PPP固定解收敛时间分别减少到30.5 min、8.5 min、32.0 min,三频PPP固定解收敛时间分别进一步缩短到16.5 min、8.0 min、32.0 min.

北斗四频中长基线模糊度解算研究

随着北斗三号卫星导航系统完成全球组网并正式开通,中国已成为世界上第3个独立拥有全球卫星导航系统的国家.目前BDS-3卫星可播发5个频点的观测信号,研究BDS-3多频组合对于实现模糊度快速固定、提高定位精度具有重要意义.针对中长基线解算,本文充分利用BDS-3四频中存在电离层延迟极小且具有整数特性的组合,同时考虑对流层延迟的影响,建立了基于弱电离层组合的中长基线解算模型.实验结果表明,相比于传统双频无电离层模型,该模型的模糊度固定速度提高10%以上,N、E、U 3个方向定位精度相比最优双频无电离层组合分别提高了7.7%、7.9%、8.2%.

拓展高原环境的航空炸弹弹道快速解算方法

为快速、精确地求解高原环境下的航空炸弹弹道,在经典弹道模型的基础上,面向高原环境提出一种基于改进Runge-Kutta的航空无控炸弹弹道解算(improved Runge-Kutta based uncontrolled bombs trajectory calculation,IRK-UBTC)方法。首先,针对炸弹下落过程中时刻变化的环境参数,提出了基于起飞点的空气比重函数估算方法。然后,引入战斗机所处环境的温度、湿度、纬度、科尔奥利力等信息对经典炸弹质心运动微分方程组进行重构。最后,在三阶Runge-Kutta算法的基础上,提出了带误差控制机制的微分方程组实时解算方法。实验结果表明,该方法在1.4 GHz主频的嵌入式计算机中的解算周期小于5 ms,且最大射程误差小于0.2%,能够被有效应用于高原地区航弹弹道的实时解算。

基于LSTM模型的浮式风机系泊监测数据解算方法

针对浮式风机系泊倾角监测数据如何准确解算为系泊张力响应的问题,提出一种基于长短时记忆(LSTM)网络与全连接网络(FCN)相结合的系泊张力解算模型。首先,针对在役的“扶摇号”浮式风机,建立风-浪-流耦合时域仿真模型,用以获取不同工况下系泊张力与倾角数据,从而形成神经网络的训练与验证数据集。在Keras框架下,开发FCN与LSTM的组合网络模型,选取Adam优化器进行训练,获得验证集损失函数最小的网络参数。最后,分别采用传统悬链线方程与神经网络模型对系泊张力响应进行预测,并与实际结果进行比对分析。结果表明:神经网络能够考虑到不同系泊倾角对应的导缆孔平均高度变化以及系泊运动的动态过程,在系泊张力时程曲线、均值、标准差及最大值等预测上比传统悬链线方程具有更高的精度,两者对于系泊张力最大值的预报误差分别为6.4%和17.1%。

轻量化弹道解算系统火控修正和瞄准线滤波预测

为快速提高轻武器操作人员射击精度、缩短瞄准时间,设计一种超轻型、多种轻武器复用的弹道解算系统,并创新了火控修正方法。建立人体据枪-瞄准-击发过程模型,规划火控诸元解算、实时环境感知、多轻武器复用、交互和数据管理等基本模块,提出可快速、实时解算,基于国产化硬件平台的火控修正软件架构,通过系统综合设计,实现总重量394 g情况下的有效工作。针对显示滞后、击发装置延迟和传感器噪声等问题,结合人体卧姿射击运动特征提出一种瞄准线非线性扩展卡尔曼滤波预测方法,其误差补偿效果相比于匀加速预测补偿方法要好53.1%。为验证系统整体有效性,搭建600 m外场射击实验进行初学者分组对比测试。研究结果表明,该系统经短暂培训后可使新手迅速掌握白光瞄具射击要领,瞄准偏差方位方向为1.15 mm、俯仰方向为0.9 mm,可降低轻武器射击对个人经验依赖,提高射手的远距离射击能力。

无人潜航器解算目标运动要素的一种方法

随着计算机技术、人工智能、能源技术的发展,无人潜航器也被应用于军事领域。在分析了无人潜航器水下侦察搜索、反水雷战、水下诱骗战应用的基础上,提出潜艇采用线导方式控制双无人潜航器进行目标运动要素解算的方法,并分别通过图解法和计算法分析了其解算的原理。该方式只需探测目标的方位信息,降低了目标其他要素探测的难度,不仅增加了潜艇的探测距离还利于潜艇隐蔽,这对水下无人潜航器应用具有一定的参考意义。

基于PSO级联互补滤波的姿态解算方法研究

为了提高无人机(UAV)姿态解算的精度和稳定性,提出了一种基于粒子群优化(PSO)的级联互补滤波(CCF)的姿态解算方法——PCCF。该方法设计了一种新颖的非线性互补滤波器和线性滤波器级联的滤波结构,前者用于校正陀螺仪零偏,后者用于估计姿态角。采用PSO算法自适应地计算级联互补滤波结构的增益参数,避免人工调节或者基于经验的方法容易陷入局部最优解的问题。实验结果表明,相对于传统滤波方法,本文所提出的姿态解算方法能够获得更为精确、可靠的姿态信息,静态时姿态估计误差小于0.1°,动态时姿态估计误差范围为±1°,满足无人机精准导航和稳定飞行对姿态解算的要求。

基于决策树的自适应互补滤波姿态解算

为解决惯性传感器在磁场干扰和大加速度干扰坏境下姿态解算精度下降的问题,提出一种基于决策树自适应的互补滤波姿态解算方法。针对陀螺仪特性,对其进行零偏补偿处理。将处理后的角速度数据与加速度数据构成静态检测单元,实现了静态情况和动态情况的准确分类。在动态情况下,由加速度数据和磁场数据组成的决策树通过分析外界干扰程度来自主调节系统误差增益,进而达到抗干扰目的,有效提高姿态解算精度。实验结果表明:静态情况下姿态解算不受磁场干扰,动态情况下能够有效避免磁场和大加速度干扰。

多频GNSS单历元模糊度解算方法

全球导航卫星系统(GNSS)是城市环境下智能交通、自动驾驶等领域快速获取精确位置信息的主要手段,而GNSS相对定位作为城市环境下实现实时(单历元)精密定位的主要方式之一,其关键在于整周模糊度的快速可靠固定。目前,各GNSS系统均可实现多频信号的播发,对于三频GNSS模糊度解算方法已有广泛的研究与应用,但随着BDS-3公开提供5个频点的观测数据,研究如何解决多频(四频、五频)GNSS模糊度的快速解算。

分步北斗三频部分模糊度解算方法

针对动态环境下半周模糊度导致全集模糊度难以固定的问题,提出了一种分步北斗三频部分模糊度解算方法。该方法首先基于半周模糊度特性,设计了一种连续观测历元部分模糊度解算(COE-PAR)方法,初步筛选出质量较优的模糊度子集,减少了后续部分模糊度解算的计算量。进一步设计了一种逐级部分模糊度解算(CPAR)方法,通过多种基于观测质量的模糊度筛选方法对超宽巷、宽巷和窄巷模糊度进行逐级部分固定,获得了不含半周模糊度的部分模糊度固定解。最后通过动态车载实验验证了方法的有效性。实验结果表明,分步北斗三频部分模糊度解算方法可有效提高动对动相对定位的模糊度固定率。城市动态环境下,与传统全集模糊度解算方法相比,Ratio检验后的模糊度固定率从91%提高至100%,相对定位误差降低了18%~79%;同时,COE-PAR方法减少了CPAR方法中模糊度剔除时最小二乘模糊度降相关平差(LAMBDA)算法约55%的执行次数。

单频低成本GNSS接收机单历元姿态解算新方法

GNSS姿态解算由于其廉价、高效的优点,越来越多地被应用于各导航定位领域。消费市场下的导航定位定姿模块多采用低成本接收机,面临较大的多路径影响、频繁的周跳,甚至矢锁等诸多问题。模糊度固定作为GNSS姿态解算的关键,在城市复杂环境中将受到更多挑战。本文根据C-Lambda算法,通过单基线固定时另外一个姿态角的自由度搜索,分别将其纳入姿态域和模糊度域,进行模糊度函数的全局最小化搜索计算基线向量,提出C-Lambda-Search及C-Lambda-A Search方法;采用3个低成本接收机(ublox-M8T)和贴片天线,在不同环境中分别进行不同基线长度的静态及动态车载试验。两个试验均证明,在模糊度固定效果及欧拉角计算精度上,本文方法有很大提升,且计算负担在可接受范围内,是一种实用性强的车载定姿算法。

基于Crank-Nicolson差分方法的煤层瓦斯渗流解算

煤矿瓦斯抽采和自然放散过程中,瓦斯在煤层中的运移以Darcy渗流为主,吸附作用导致渗流控制方程变得较为复杂,不得不进行大幅简化。基于渗流理论,推导得出各种坐标系下标准形式的煤层中瓦斯Darcy渗流控制方程。针对煤壁突然暴露后瓦斯单向流动的问题,在不进行过多简化的前提下,利用Crank-Nicolson差分方法推导得出无条件稳定的、具有二阶精度的离散化表征的渗流控制有限差分方程。利用Python语言的SciPy包,选择用于非线性方程组求解的Powell混合法的变体,通过编程实现了对所构建差分方程的数值求解。解算得出不同时刻、距煤壁不同位置的瓦斯含量和瓦斯压力与距离都呈反正切函数关系,给出了在任意位置、不同时间的瓦斯含量计算的综合拟合公式;同时得出煤壁瓦斯涌出速率随时间呈幂函数关系下降的表达式。

基于时延方位估计的多基地模式轨迹解算算法

单基地模式的声呐探测系统存在工作方式固定、定位精度低的缺陷多基地定位声呐中T-Rn定位方式存在观测和测量缺失的问题。文章结合多基地系统在跟踪阶段中所获得的信号波达时间、接收信号幅度和信号来向角等多元先验信息,对基于波达时间及方位的定位算法进行了深入研究。文章提出了一种利用空间椭圆轨迹交汇的目标位置解算算法,并以空间反向投影算法辅助完成目标定位。该算法首先获取目标回波的相位关系,利用基于广义互相关的时延估计算法得到系统工作周期内的平均时延估计量。基阵的垂直方位观测量可通过接收信号的方位估计值获得,轨迹解算算法分别采用了椭圆轨迹交汇与几何定位法。最后给出了完整的算法流程,误差评估的仿真结果验证了交汇定位算法的有效性,该方式可有效保证多基地模式下的目标定位跟踪任务的执行效率,对实际工程应用中系统定位精度的评估有一定参考价值。

基于高速飞行器火力控制模型的智能解算方法

研究吸气式高速飞行器的火力控制解算问题,针对高速飞行器较传统的亚音速与超音速飞行器系统响应时间短,飞行环境复杂,对火力控制模型解算要求度高等难点,提出了一种高速飞行器火力控制模型的解算方法。构建了面向高速飞行器平台的火力控制模型,并根据高速飞行器的飞行特性,使用快速模拟法结合阿基米德优化算法求解攻击区域,并反解出载机初始的指令信号。仿真结果表明,该解算方法解算精度高,控制参数少,所实现的攻击区域广,且能发挥高速飞行器较强的飞行性能。

声共振风传感器用全相位风速风向解算方法

提出了一种超声波共振式全相位风速风向解算方法,搭建以间距L呈等边三角形分布的3个超声波换能器A、B、C,测量了超声波换能器A、B、C回波初相,根据得到的回波初相解算出从顶点无角度直接吹风和从顶点有角度吹风情况下的风速与风向数据。结果表明,该文建立的全相位风速风向解算方法连续无奇点,与其他方法相比,在输入量相同的情况下风速波动较小,风向解算较准确。