基于卫星授时监测数据改善定时及定位方法研究

为使卫星授时监测数据更好地服务于用户,研究使用其削弱标准单点定位中卫星端和传输路径误差的影响,改善用户端定时稳定度与定位精度;同时将用户相对于卫星导航系统时间的定时偏差改正到相对于国家标准时间。以GPS为例开展实验验证,短基线实验结果表明,定时方面,L1频段定时偏差的均值从-42.8 ns改善到5.4 ns,L2频段从-53.6 ns改善到2.8 ns;定位方面,L1频段X、Y、Z三个方向定位误差的均值改善55%以上,L2频段改善77%以上。证明使用卫星授时监测数据,卫星导航系统用户不仅可以将伪码定位精度提高至亚m级,还可以获得相对于国家标准时间的偏差,实现国家标准时间的ns级授时。

GNSS系统时间偏差参数分析

分析各GNSS在系统时差参数设计上的特点和变化,并以国际权度局(BIPM)和时间频率公报发布的数据为参考对GNSS播发的系统时差进行评估分析。结果表明,BDS播发的3种系统时差均存在十几ns的偏差,通过BDS间接获得的GLONASS与GPS、Galileo与GPS的系统时差准确度优于GLONASS和Galileo系统电文发播的同种时差参数。

顾及BDS-3/GNSS星钟状态的超快速钟差参数估计模型

高质量卫星轨道与钟差参数是实现导航系统可靠PNT服务的前提之一。针对多系统超快速定轨中钟差参数易受观测数据质量与模型配置影响的问题,本文提出一种顾及BDS-3/GNSS星钟状态的超快速钟差参数估计模型。首先,在固定的轨道、站坐标等参数基础上,构建顾及钟差速度与加速度的观测方程;然后,利用相位时间差分与模型奇异值分解算法,建立钟差参数质量控制与历元间传递模型;最后,引入钟差状态转移方程并顾及BDS-3/GNSS星钟频率稳定性,实现钟差及其状态参数的单历元同步估计。试验表明,本文提出的BDS-3/GNSS超快速钟差估计模型至少可实现钟差估计精度提升46.9%;且利用估计的钟差状态参数可导出历元间任意时刻钟差。相较于传统的超快速钟差产品,基于估计的BDS-3/GNSS钟差参数可实现四系统动态PPP测站的E、N与U方向定位精度与收敛性能分别提升1.7%、6.0%、31.2%与44.9%、33.3%、38.9%;且预报钟差精度也得到了改善,基于钟差及其状态序列的预报钟差参数可分别降低四系统静态PPP的E、N与U方向定位残差与收敛时间6.3%、13.5%、11.3%与14.5%、1.6%、12.4%。因此,本文提出的BDS-3/GNSS超快速钟差估计方法可有效提升钟差质量,并实现实时与近实时服务能力的提升。

时间戳服务器校准系统的设计与实现

针对时间戳服务器的溯源问题,设计和实现了其校准系统,并对时间偏差进行测量。同时,结合PCIe总线技术进行时间同步和输出。结果表明:该系统的时间偏差平均值为4.66μs,实验标准偏差为0.48μs,满足校准需求。

全方位机器人的重心位置预测与轨迹跟踪控制

针对全方向移动机器人存在非线性动态强耦合、实时重心偏移及难以实现高精度跟踪控制的问题,本文提出一种基于长短期记忆(LSTM)神经网络的重心位置在线预测的轨迹跟踪控制法.首先,建立考虑重心偏移的动力学模型并基于LSTM神经网络训练构建其对比模型;其次,基于模型对比法实时估计重心偏移参数,再基于张神经网络(ZNN)对估计的重心偏移参数进行预测以减小估计过程引起的滞后;最后,基于非线性动态反馈解耦法设计数值加速度控制算法,且基于离散系统极点配置法分析了系统的稳定性.仿真结果验证了所提方法相对于数值加速度控制器与自适应控制器因能在线预测重心偏移参数完成高精度动态解耦实现控制精度的提高.实际实验中,所提控制算法相比数值加速度控制及模型预测控制,其跟踪精度明显提高,这表明所提控制算法可显著减小重心偏移对跟踪控制精度的影响.

基于FPGA的水下单程声径跟踪测速系统设计与实现

针对现有水下航行体的导航存在时延大和无法同时满足跟踪测速一体化问题,提出了一种基于单程声径的水下定位测速方法。相比传统长基线的双程声径定位测距,该方法基于高精度原子钟的同步系统,实现单程声径的目标测距测速。该水下定位测速一体化系统是基于具有快速并行计算能力的FPGA实现,解算结果可在微秒内完成,时延有效降低。针对目标跟踪测速一体化问题,水下航行体在系统同步时刻周期性发射线性调频信号,水下信标接收基阵设计基于短时傅里叶变换/逆变换算法对信号进行时频域转换分析,能够准确地提取信号的到达时刻和多普勒频偏。水下信标基阵进而可在系统同步周期内解算每个接收信标单元相对于水下航行体的径向速度和径向距离,实现目标的跟踪测速。仿真实验表明,该方法的跟踪相对误差控制在0.2%,测速相对误差控制在0.8 m/s。湖试试验结果表明,该方法跟踪相对误差控制在5%,测速相对误差控制在0.3 m/s。

北斗三号B1C/B2a新信号精密卫星产品估计及PPP-AR性能研究

为分析北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)B1C/B2a新信号的服务水平,基于混合差分的方法,结合全球均匀分布的观测站数据解算得到BDS精密钟差,进一步估计宽窄巷未校准相位延迟(Uncalibrated Phase Delay,UPD)。使用二次差法对所估计的BDS-3钟差精度进行评估分析,验证估计产品的准确性;通过UPD产品长期序列来研究其稳定性;将估计的钟差和UPD等产品应用于精密单点定位浮点解和固定解(Precise Point Positioning-Ambiguity Resolution,PPP-AR)进行验证。根据数据处理结果可知,地球静止轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)、倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,IGSO)和中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)3种轨道类型的估计卫星钟差平均精度分别为0.209、0.095、0.087 ns;BDS-3宽巷UPD长期序列标准差(Standard Deviations,STD)均在0.04周以内,窄巷UPD一天内的最大变化不超过0.15周,BDS-2宽窄巷UPD的稳定性略差于BDS-3;全球范围内均匀挑选的测站PPP浮点解的平均定位精度在北(North,N)、东(East,E)、天(Up,U)各方向分别为2.21、3.50、6.01 cm,经模糊度固定后,固定解分别提升至1.11、1.26、3.50 cm,提升了49.8%、64.0%、41.8%,验证了估计钟差和UPD方法的正确性与新信号良好的服务性能。

三相LCL-LC型仅网侧反馈的改进时滞抑制

LCL-LC电压源型逆变器仅网侧电流反馈的有源阻尼相比于电容电流反馈下的有源阻尼减少了检测元件的使用,能有效抑制LCL-LC逆变器产生的谐振峰。但由于数字电路里存在控制延时影响,因此电网阻抗的变化会引起谐振频率fr偏移,当fr处于采样频率fs的16附近时系统将会失稳。为了解决LCL-LC有源阻尼逆变器仅网侧反馈时控制延时对逆变器的影响,研究了在数字域下电网阻抗的变化对系统稳定性的影响,并提出了一种新的延时补偿方法,即在控制回路的前向通路中加入改进型延时补偿,将有源阻尼的等效正电阻从原有的fs 6扩展到0.4965fs,补偿后的有缘阻尼在fr发生偏移时由于等效正电阻的扩宽使得系统在fs 6附近不会失稳,从而极大地提升了系统的稳定性。仿真和实验验证了理论的正确性。

一种基于时间偏差的动态比较器失调电压校正方法

低失调电压是高速高分辨率动态比较器设计中最为关键的指标之一。现有的失调电压的分析模型和校正方法都是基于传统的电压、电流和负载的维度,忽视了动态比较器时间域维度失配引入的失调电压。针对该问题,提出了一种非平衡电流充放电理论模型。对比传统分析模型,提出的新模型不受电路直流工作点限制,且可以覆盖电压、电流、负载和时间全维度失调电压产生机理的分析。基于该模型分别对3种典型失配机理产生的失调电压进行量化分析。同时,根据时间域失配机理分析提出了一种新的基于时间偏差的高能效失调电压校正方法,相较于传统电压补偿或负载补偿的方法,新的校正方法不是通过改变比较器充放电曲线的斜率补偿失调电压的影响;而是通过改变比较器充放电曲线的开启时刻补偿失调电压的影响。根据65 nm CMOS工艺设计实例的蒙特卡洛仿真结果,新的失调电压校正方法的校正精度可以从传统的小于几毫伏精度提升到小于0.5 mV精度,同时无需额外复杂辅助电路,更适用于高速高能效动态比较器的设计实现。

基于叶尖定时的风机叶片裂纹故障识别研究

风机叶片作为风电机组的关键部件,其裂纹故障尤为常见。裂纹的存在会导致叶片或机组出现损坏。为此,基于叶尖定时原理和分析方法,提出一种风机叶片裂纹故障的识别方法。首先,依据叶尖定时原理,分析叶片在载荷作用下裂纹对叶尖偏移的影响,建立叶尖偏移与叶尖偏移时间之间的数学模型。其次,通过仿真分析叶片在不同状态下叶尖偏移程度,结合不同工况参数与叶尖偏移时间之间的数学模型,识别裂纹特征信号。最后,利用风机模拟试验台实测叶尖信号,结果表明本文所提的识别方法对裂纹的特征信号的成功提取达到了92%以上,并且能够实时完成裂纹信号的提取和分析,说明此方法能够实现裂纹故障实时识别。

线性光学采样算法中的多普勒补偿研究

基于双光梳的时频传递技术在实验中已经实现稳定的时频传输。然而,当双光梳两端存在相对运动而产生多普勒效应时,涉及的线性光学采样算法将不能满足要求。为了能够精确解算多普勒效应导致的干涉信号时间延时和频率偏移,本文推荐了一种基于宽带互模糊函数的时差频差联合估计算法。仿真模拟了特定参数下,光梳延时为38.78 fs,相对速度在0~1800 m/s之间的若干组干涉信号,所推荐算法仿真得出时延误差为0,速度误差小于0.3 m/s。相对于窄带互模糊函数,该算法具有更好的大速度下时间及频率尺度估计性能。

相关性增强的OFDM粗同步序列分析与设计

正交频分复用技术(Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM)在通信领域被广泛应用,OFDM信号在接收时要求子载波严格正交,同步精度对传输效果影响很大,因此OFDM信号同步始终是该领域的一个研究重点。首先,包含同步序列的同步算法可分为自相关和互相关两类,文章分析了各类算法的特点,尤其针对S&C、Minn、Park、Ren四种经典自相关算法和Two-Stage算法的优势和局限做出详细讨论,并比较了上述算法的理论公式复杂度与迭代计算复杂度。其次,本文设计了一种自相关同步序列结构以及对应的度量函数和频偏估计算法;其核心原理是在同步序列间引入相关性,增大计算度量函数时引入的数据点数,通过提高计算复杂度提高同步精度,尽量避免度量函数出现副峰;该算法还保留了迭代计算的特性,便于硬件实现。最后,在比较提出算法和其他经典算法的同步效果时,用度量函数最大值落在接收信号保护间隔内的概率刻画定时准确度,用归一化频偏的均方误差(Mean square error,MSE)刻画频偏估计精度。仿真结果表明,在加性高斯白噪声(Additive white Gaussian noise,AWGN)信道和两径信道下,算法的定时准确度优于其他经典自相关算法,与Two-Stage算法接近,但是复杂度比前者低。此外,得益于提出算法在低信噪比下较高的定时准确度,其在AWGN信道下的频偏估计精度优于其他经典自相关算法;在两径信道下,以20 dB为界,信噪比在20 dB以下时提出算法的频偏估计精度更高。

非零偏时延VSP资料处理关键技术

非零偏时延VSP资料含有丰富的井旁波场信息,利用VSP反射信息和地震属性,能有效监测井旁注入流体运移情况,具有广阔的应用前景。受观测方式影响,时延非零偏VSP资料叠加次数有限,对两期VSP资料处理要求更加严格。因此,本文在常规非零偏VSP处理技术流程中引入两期资料的可重复性分析和一致性处理方法技术,建立了时延非零偏VSP资料处理技术流程,并针对时延资料的炮内一致性处理和两期资料间一致性处理进行了方法分析研究和试验。从A井实例应用表明,本文提出的非零偏时延VSP资料处理流程和关键技术具有较高可操作性和实用性,具有推广价值。

视觉控制数控机床机器人上下料PLC编程及研究

针对汽车发动机缸体数控加工自动化上下料的机器人、视觉系统和输送链等设备PLC编程及控制等问题,探究西门子PLC控制器与康耐视相机、FANUC机器人之间的连接控制通信方法。规划设计PROFINET总线网络通信控制系统框架,以及视觉图像通过PROFINET进行传输的方法和参数设置。研究机器人如何根据视觉图像模板,检测在传送带上无序摆放的缸体零件位置偏移数据,调整手爪位置准确抓取零件的方法。通过时序控制方法协调机器人、视觉系统和输送链之间的动作节拍,提高系统运转的定位精准度和可靠性,实现高效高精度的智能化无人操作数控加工。

计及故障分闸角与单相故障的后续换相失败分析

针对换相失败影响因素分析已经取得一些成果,但故障清除时刻(故障分闸角)对换相失败的影响有待进一步研究。首先基于换相失败过程分析过零点偏移角对关断角的影响;其次基于换相电压时间面积法分析不同故障合闸角对逆变器首次换相失败的影响,并进一步分析故障分闸角及过零点偏移角对后续换相失败的影响,发现故障在换相过程中清除引发后续换相失败风险最大;最后以单相接地故障为例,基于PSCAD/EMTDC中的(conseil international des grands reseaux electriques,CIGRE)模型的不同故障合闸角与分闸角的仿真测试结果验证了理论分析的正确性。

千米跨度高铁桥梁的轨道不平顺时频特征分析

由于温度荷载等因素的影响,大跨度高铁桥梁的复杂变形使得桥上轨道不平顺验收成为难题。为尽快形成千米跨度高铁桥梁的针对性养护维修标准,以我国现有的千米跨度高铁桥梁的轨道不平顺动静态检测数据作为样本函数,进行轨道不平顺的时频域分布特征分析,分别采用中点弦测法、矢距差法以及轨道不平顺功率谱法对累计1年的检测数据进行讨论。结果表明,在时域上,悬索桥与斜拉桥动、静态轨道不平顺超限点基本位于桥墩与跨中处,悬索桥两端桥头设置钢轨伸缩调节器处轨道不平顺幅值均有升高,需要及时控制桥梁关键位置处轨道不平顺幅值;在频域特征上,千米跨度高铁桥梁线路轨道谱与我国高速铁路有砟轨道谱变化规律大致相同,综合动静态功率谱可知,千米跨度高铁桥梁线路轨道谱在高低不平顺中、长波频段主要介于我国有砟谱与德国低干扰谱之间,其中千米跨度悬索桥线路整体性能相比千米跨度斜拉桥线路而言,在100 m左右的长波频段与10 m以下的中短波频段表现明显较差。2条线路普遍存在1~3 m及8~12 m的周期性波长成分,在铁路日常运维中仍需要关注包括新轨轨身不平顺、焊接接头不平顺等原因造成的钢轨平顺性问题。

某大底盘多塔综合体分析及设计研究

广州市某商住广场,是一个由三栋住宅塔楼带五层综合商业裙楼大底盘组成的商住综合体项目。该项目分别对多塔模型及单塔模型进行抗震分析,研究大底盘多塔结构的地震反应及相互影响特点。经对比发现大底盘屋面以上的塔楼地震剪力有一定程度的增大,其增大系数大小与塔楼距离、裙楼高度、结构刚度等多种因素有关。同时,通过动力弹塑性和性能设计分析,对大底盘、框支框架、底部加强区等薄弱构件采取有效的加强措施。

敦化-密山断裂带的平移距离：来自松嫩-张广才岭-佳木斯-兴凯地块古生代-中生代岩浆作用的制约

敦化-密山断裂带是郯庐断裂北段的重要分支之一,其大规模左行走滑发生的时限以及平移距离一直存在较大争议。本文系统地总结了松嫩-张广才岭地块东缘、佳木斯地块以及兴凯地块之上古生代-中生代火成岩的锆石U-Pb年代学资料,结合其空间分布特征,对敦化-密山断裂带的平移时限及距离提供了制约。研究表明,松嫩-张广才岭地块东缘与兴凯地块在古生代-中生代期间具有类似的岩浆活动历史,两个地块之上该时期的岩浆作用可以划分为8个主要期次：中-晚寒武世（ca.500-516Ma）、早奥陶世（ca.480-486Ma）、晚奥陶世（ca.450-456Ma）、中志留世（ca.426-430Ma）、早二叠世（ca.285-292Ma）、晚二叠世（ca.255-260Ma）、晚三叠世（ca.202-210Ma）和早侏罗世（ca.185-186Ma）。相比之下,佳木斯地块中的古生代-中生代早期岩浆事件则集中在晚寒武世（-492Ma）、晚泥盆世（-388Ma）、早二叠世（-288Ma）、晚二叠世（-259Ma）和早侏罗世（-176Ma）,而晚奥陶世-志留纪和晚三叠世的岩浆活动在佳木斯地块未见报道。早白垩世晚期（ca.105-110Ma）和晚白垩世（ca.90-94Ma）的岩浆活动在三个地块均存在。上述结果表明兴凯地块东缘与松嫩-张广才岭地块东缘在早古生代经历了共同的地质演化历史,而中生代早期,兴凯地块西缘与松嫩-张广才岭地块东缘经历了同样的岩浆作用历史。上述结果暗示,敦化-密山断裂可能经历了至少两次平移,分别发生在中-晚二叠世-早三叠世和中-晚侏罗世-早白垩世,推测其总的平移距离约400km。结合研究区中生代期间的构造演化历史,敦化-密山断裂中生代的左行平移应与中-晚侏罗世-早白垩世期间古太平洋板块（Izanagi板块）的斜向俯冲相联系。

应用于配电网的时钟偏移估计的IEEE 1588改进方案

IEEE 1588协议实现在配电网中网络测量和控制系统的时钟同步,并在基于分组的网络同步机制中起了重要作用。然而,传统的IEEE 1588同步算法的性能由于非对称链路和随机延迟问题的影响,达不到期望的精度。提出了基于IEEE 1588的时钟同步改进方案涉及到两种不同的随机延迟模型,分别服从高斯延迟模型和指数延迟模型。并分别推导出该方案中两种时间延迟模型的时钟偏移的最大似然估计值。分析结果表明,时钟偏移估计的性能依赖于随机延迟的模型和所发送的数据包大小的比率。仿真结果表明,该方案解决了非对称链路和随机延迟的问题,与传统的IEEE 1588时钟同步方法以及突发脉冲传输方案相比具有更好的性能。

卫星与测站钟差支持条件下的GEO卫星精密定轨

在基于伪距的GEO卫星精密定轨中,GEO卫星的静地特性导致定轨解算无法对星地组合钟差进行有效估计,需要独立的时间同步支持.本文讨论了卫星和测站钟差支持条件下的GEO卫星定轨原理,利用仿真数据系统地分析了中国区域网跟踪条件下GEO卫星的定轨精度,从定性和定量角度分析了钟差二次项、星地时间同步精度、站间时间同步精度及系统差等因素对定轨精度的影响.