Attention-GRU神经网络辅助的SINS/DVL组合导航算法

针对多普勒测速仪(DVL)短时失效导致定位精度下降的问题,提出了一种注意力机制门控循环单元(Attention-GRU)辅助的捷联惯导(SINS)/DVL组合导航算法。当DVL测速有效时,使用SINS/DVL组合导航信息对Attention-GRU神经网络进行训练。当DVL故障时,使用训练完毕的Attention-GRU神经网络预测DVL速度辅助校正SINS。仿真结果表明:当DVL故障时,Attention-GRU相对纯惯性导航系统和GRU在匀速运动状态的平均速度误差分别减小了71.35%和3.48%,平均位置误差分别减小了34.76%和1.74%;在运动状态变化时平均速度误差分别减小了58.45%和14.67%,平均位置误差分别减小了9.82%和2.27%。

基于约束粒子群优化的海底地形辅助惯性导航定位方法

针对水下自主航行器长时间航行后惯性导航系统位置误差积累的问题,提出一种关于约束粒子群优化的海底地形辅助惯性导航定位方法。通过在等值域内进行粒子群初始化,改善粒子"早熟"问题。采用惯性导航和水深测量序列计算相邻测量点水平距离、航迹水平转向角和水深变化量三个匹配参数,同时利用待匹配航迹上的粒子群计算以上三个参数,将航迹水平转向角和水深变化量转换为各自等效的水平相对距离,最后采用对应于相同匹配参数的等效水平相对距离的平均绝对差之和构建适应度函数,采用约束粒子群优化进行地形匹配,辅助惯导系统准确定位。通过某海图内海底地形匹配进行仿真实验,结果表明当航行器初始位置误差较大时:在地形变化明显区,ICCP的定位精度为200 m,约束粒子群优化的定位精度提高到20 m以内;在地形变化平坦区,ICCP无法有效定位的情况下,约束粒子群优化的定位精度约为250 m。

车辆动力学模型辅助的惯性导航系统

为提高车辆导航系统的精确度和可靠性,提出一种车辆动力学模型辅助惯性导航系统的方法。建立车辆非线性动力学模型,利用四阶龙格库塔法实时解算速度信息。以惯导误差方程为状态方程,动力学模型与惯性导航解算的速度差为观测量,设计了容积卡尔曼滤波器,并用估计的状态误差对惯导进行校正。仿真结果表明,所提出的利用车辆动力学模型辅助惯导的方法能有效抑制惯导误差的发散,位置精度和速度精度比纯惯导系统提高了一个数量级,航向角精度提高了73%。

因子图框架下无人艇主从式协同导航算法

针对无人艇(USV)协同导航存在非线性量测和滞后信息的问题,提出一种基于因子图优化的无人艇主从式协同导航算法:对艇间测距信息进行因子建模,以捷联惯性导航系统(SINS)为核心构建从艇因子图框架;然后针对因子图优化算法计算量大难以实时融合的问题,借助滑动窗限制待优化节点数并利用增量平滑进行窗内变量更新;最后将滞后信息对应因子节点连接至因子图中历史时刻变量节点,实现对于滞后量测免补偿使用。仿真结果表明,所提方法在信息滞后小于1s时可获得与无滞后情况下大致相当的精度;以时长15s的滑窗为例,所提算法较传统滑动窗优化单步运行时间减少约91%,具有可实时实现的优点。半物理实验结果亦验证了所提方案的可靠性。

显微激光诱导电流技术研究进展

随着光电器件的研究步入微米/纳米尺度,显微激光诱导电流(LBIC)技术作为一种半导体器件的无损、快速、可成像的表征技术得到迅速发展。显微LBIC技术可表征局域光照激励下器件的光电转换性能,起初被用于检测器件中的不均匀性或缺陷。近年来,将显微LBIC技术与其他显微成像技术相关联,进行器件多物理参量的综合表征,为研究微纳尺度上的材料-结构-器件性能关系提供了有效手段。基于这一表征手段的进步,光伏器件中微观晶体结构与性能的关系研究、全新机理的低维光伏/探测器件研究、以及微纳结构的光伏/探测增强研究等均得到了蓬勃发展。文中综述了显微LBIC技术的研究进展,首先介绍显微LBIC的基本模型及分类,随后聚焦于LBIC与其他多种显微成像的关联表征技术,并探讨该类技术在光伏器件和光电探测器件研究方面的应用。最后展望了显微LBIC及其关联成像技术的未来发展方向。

硅微机械陀螺仪测控电路的温度补偿

提出了一种基于微机械陀螺仪测控电路进行温度补偿的方法。介绍了本课题组自主研发的SHH17#陀螺结构,分析了温度变化对陀螺的影响,并对驱动和检测模态的谐振频率,品质因数以及标度因数和零偏进行了测试。分析了陀螺结构的动力学方程以及测控电路,指出了标度因数与驱动幅度和检测回路增益成正比,与两模态频差成反比。以热敏电阻为补偿元件在检测次级放大器中补偿标度因数,然后以直流叠加的方法在低通滤波器模块对零偏的温度系数和输出值进行了补偿,并介绍了补偿参数的配置方法。实验显示,经过温度补偿,标度因数和零偏的温度系数分别由393×10-6·℃-1和75(°)·h-1·℃-1减小到了73×10-6·℃-1和20(°)·h-1·℃-1,补偿后0℃零偏值由89.59mV减小到7.33mV,标度因数和零偏的温度系数分别减小了80%和73%。得到的结果证明了补偿方法的正确性和可行性。

硅微陀螺正交误差直流校正设计与分析

为硅微陀螺设计了一种正交误差直流校正方法,通过设计校正结构和加载直流电压实现正交校正。建立了存在正交误差时敏感质量的运动微分方程,分析明确了正交响应的成因和对驱动运动轨迹的影响。为硅微陀螺设计了正交校正结构,实现构建静电耦合弹性系数并利用驱动运动产生校正静电力。校正力的频率和相位无需电路控制,使该方法相较于传统校正方法具备特殊优势。设计并分析了校正电压的两种加载方式,通过实验测试验证了正交响应幅值随校正电压的变化规律。实测校正电压接近理论值,证明了校正结构设计的正确性。该方法在双线振动式硅微陀螺中具有重要应用价值。

石墨烯-MnBi_(2)Te_(4)异质结室温高灵敏度太赫兹探测器

太赫兹技术因其在医学成像、深空探索、无线通信、无损检测等领域的应用前景而受到广泛关注。然而,常温条件下对太赫兹辐射进行高灵敏度检测仍然是一个极大的技术挑战。文中利用低热导率的磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)与高热导率的石墨烯形成范德华异质结,进而构建了一种异质结结构的太赫兹探测器。室温条件下,在0.04 THz与0.12 THz的频率太赫兹辐射照射下,探测器展现出超快的光电响应速度(16μs)和较高的响应度(0.43 mA/W和4.61 mA/W),同时具备较低的噪声等效功率(2.04 nW/Hz^(1/2)和190.58 pW/Hz^(1/2))。结果表明,基于石墨烯-MnBi_(2)Te_(4)异质结的太赫兹探测器在太赫兹探测领域具有巨大的应用潜力。

基于逆向导航解算和数据融合的SINS传递对准方法

提出两种观点:1)可以使用一段惯性传感器数据完成捷联惯性导航系统(SINS)的初始对准;2)通过在数据融合中加入逆向—正向SINS解算结果和外部参考数据,可以缩短传感器误差的估计时间。基于以上两观点,旨在不改变卡尔曼滤波器的情况下,短时间内估计陀螺漂移的一种快速传递对准的方法。在一个参考数据更新周期内,储存了惯性传感器数据和参考数据,并且执行了逆向—正向捷联解算。与此同时,当相应的捷联解算结束后,执行数据融合算法。在上述的更新周期内,由于加入逆向—正向捷联解算,陀螺漂移估计操作增加了两次并且缩短了其估计时间。在舰船晃动的情况下,实验表明:与经典的方法相比,当两种方法的数据融合执行次数相等时,提出的方法缩短了对准时间,对准时间从300 s缩短到100 s;当对准时间相等时,方案1的纵摇、横摇和航向对准误差的均值分别为?0.6638、?0.5896、0.3941,其方差分别为1.0736、0.4629、2.1697,而方案2对应的均值和方差分别为?0.4632、?0.5026、0.3375和0.8828、0.3876、1.7289。由此可知,方案2的对准精度高于方案1。

截断总体最小二乘法在抑制地磁导航磁力仪随机误差方面的应用

三轴磁力仪的随机误差补偿技术是当前水下地磁导航领域的研究热点。传统上采用最小二乘法或其相关改进方法进行误差修正,是基于假设随机误差为高斯分布或者没有考虑到磁力仪观测方程的病态问题。将总体最小二乘方法与正则化方法结合起来,提出一种截断总体最小二乘法,来处理观测方程两边都存在随机误差的病态问题。仿真结果表明,截断总体二乘法能很好地抑制磁力仪测量中的病态影响,且将经过截断总体二乘法标定前后的残差减小至10 n T以内。此外,比起最小二乘法补偿和总体最小二乘法补偿后的测量数据,经过截断总体最小二乘法补偿后的测量数据更加接近真实值,达到了抑制随机误差的目的。

基于不规则三角网的水下地形导航数据库构建方法的优化（英文）

采用规则格网模型构建地形导航数据库时,存在精度较低以及效率较低的问题。为了优化地形导航数据库构建方法,提出了一种基于不规则三角网的地形导航数据库构建方法。基于分割合并法对源数据点按经纬度坐标进行分割,分别求出每个数据块数据点的凸壳,然后依据改进的凸壳算法逐点加入非凸壳数据点形成子块三角网,用改进的三角网合并算法对相邻的凸壳子块进行合并,完成子三角网的优化合并形成完整的地形导航数据库。仿真结果表明基于不规则三角网的地形导航数据库构建方法具有效率高、精度高、分辨率可调整的优点。

无需信源数先验的快速稀疏增强DOA估计方法

文章提出了一种无需信源数先验的超分辨波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计方法,该方法利用稀疏增强的原子范数形式重新表征信号稀疏度,利用对数-行列式函数建立原子范数与l0原子范数的平滑关系,并通过泰勒展开形式简化其优化过程,以求解一个新的迭代加权优化问题为目标,使优化结果更加稀疏和精确;基于增强稀疏结果的信号重构Capon空间谱,从而在不需要信源先验的情况下,也可以准确估计目标的DOA。文章还针对这一特殊的迭代加权优化问题,给出了一种基于原对偶内点法的快速优化流程,问题中特殊的Toeplitz矩阵结构可以通过快速傅里叶变换技术提高计算效率。理论推导证明了该算法相较于CVX等凸优化工具,具有更快的计算效率,并且能够在信号数目未知的情况下,利用较少的快拍数实现高精度的DOA估计,具有很好的鲁棒性。实验仿真验证了该算法的有效性。

硅微陀螺仪闭环正交校正研究

针对硅微陀螺仪中正交误差的来源进行了分析,设计了一种基于正交校正电极的闭环控制回路。该电路通过正交校正电极产生静电耦合刚度,以此来抵消结构耦合刚度,从而抑制正交误差。给出了设计方案的原理框图,利用Simulink对整个控制回路进行仿真,仿真结果表明该方案能够较好地抑制正交误差。对加入正交校正前后的硅微陀螺仪样机进行了测试,实验结果表明加入闭环正交校正后,陀螺仪样机的正交误差信号已基本消除,零偏稳定性较校正前提高了一倍以上。

基于交互式多模型秩滤波的移动机器人组合导航算法

针对非结构化环境下移动机器人组合导航系统中存在的时变或非高斯噪声,将秩滤波器(rank Kalman filter,RKF)与交互式多模型算法(interactive multiple model filter,IMM)相结合,提出一种交互式多模型秩滤波算法(IMM-RKF)。秩滤波根据秩统计量相关原理确定采样点和权值,可适用于具有非高斯噪声的非线性系统;交互式多模型算法是解决结构和参数易发生变化系统中状态估计问题的重要途径,能够抑制组合导航系统中时变噪声引起的导航参数估计误差。仿真实验表明,相比于交互式多模型扩展卡尔曼滤波(IMM-EKF)和交互式多模型无迹卡尔曼滤波(IMM-UKF),提出的IMM-RKF算法能够提高组合导航系统姿态、速度和位置估计精度。

基于TDLAS技术气体浓度测量的快速拟合方法

基于可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术的气体浓度测量系统通常以吸收光谱的归一化二次谐波信号反演气体浓度。然而以常用的数字锁相技术提取归一化二次谐波信号的方法消耗资源多、计算量大。为简化计算量,一种基于广义级数展开快速拟合的方法被提出,首先测量激光器的入射平均光强,结合光强调制系数计算线型函数及其平方项的傅里叶展开系数,即可拟合出归一化二次谐波信号。构建了CO2气体吸收光谱检测实验,实验测试及仿真计算结果表明采用本文方法拟合的结果与通过数字锁相技术实测的信号之间最大相对误差仅为2‰,计算消耗的时间却远小于后者,简化了系统资源,有利于TDLAS技术气体浓度测量系统的小型化、数字化。

基于实时调节GPS射频前端采样周期的INS辅助GPS组合导航方法

为了提高GPS卫星接收机在高动态环境下的跟踪能力,提出了一种基于GPS射频前端采样周期实时调节的INS辅助GPS组合导航方法。首先通过组合滤波器将INS导航信息和GPS导航信息进行融合,修正INS导航信息误差。然后利用修正后的INS导航信息和GPS导航电文,实时计算出载体相对于每颗卫星的多普勒频移,并将得到的多普勒频移换算为GPS中频信号载波的波长变化。最后根据载波的波长变化实时调节GPS接收机射频前端ADC的采样时间间隔,补偿因为多普勒频移导致的中频数字信号采样点变化,隔离多普勒频移对GPS接收机跟踪环路的影响。仿真结果表明,此方法可以在不改变传统GPS接收机跟踪环路结构的前提下,显著提升GPS接收机的高动态性能,即使在多普勒频移变化率为5000 Hz/s的情况下,GPS跟踪环路仍能可靠工作。

超短基线安装误差对定位精度影响分析及其标定技术研究

安装误差是超短基线水声定位系统的重要误差源之一,直接影响超短基线的定位精度。本文采用数值仿真的方法分析了超短基线安装误差角对其水平定位精度的影响,针对传统标定方法受母船航行轨迹影响较大而不能准确估计安装误差的问题,提出了一种基于单应答器双矢量重构的安装误差估计方法。该方法为确定超短基线安装误差估计模块的迭代次数提供了理论依据,并且可以有效地避免安装误差的估计值收敛于伪点。水下实验结果表明,经过安装误差角补偿后的超短基线定位系统对目标应答器的定位精度与参考真值相比,80%以上的定位误差在1m以内,证明了本算法可以在一次环绕航行中完成水下应答器的定位及超短基线安装误差角估计,具有估计精度高,操作简便,易于实现的特点。

改进的MEDLL技术在多径误差估计中的应用

针对高精度卫星导航和定位应用中易出现多路径误差的问题,在分析多径效应形成和模型基础上,提出基于改进多路径延迟锁定环(MEDLL)技术的多径误差消除方法:设定接收信号中最大路径路数,并进行余量估计;然后通过估计出多路径信号的路数、幅值误差、传播延时和相位偏移,得到直达信号。实验结果表明,在同等定位精度要求条件下,该方法相对传统的MEDLL技术可有效提高直达信号估计效率,缩短所需时间。

一种微半球陀螺分时控制系统降噪方法

为提高微半球陀螺仪分时控制系统输出信号的测量精度,提出了一种在系统开关切换通道中增加卸荷通道的降噪方法。通过建立陀螺工作状态切换等效模型,对降噪方法的有效性进行理论分析和仿真验证,然后设计相应数字测控电路进行噪声性能测试。实验数据显示,改进后的分时系统输出信号均方差降低了67%,角度随机游走降低了52%,噪声性能有效提升。

消防多旋翼无人机高精度定位技术

消防多旋翼无人机携带灭火弹飞到火源附近、瞄准后发射灭火弹是控制高层建筑火情的有效方式之一。无人机精准定位和悬停,保证灭火弹准确飞行到指定位置,是发挥灭火作用的前提。针对灭火弹发射精度需求,本文利用卫星导航和惯性导航实时获取飞行器位置、速度、姿态信息,通过组合导航算法求解飞行器位置和姿态信息。本文分析了捷联惯导姿态解算算法、速度解算算法和位置解算算法,其中,姿态计算采用旋转矢量方法,补偿非定轴转动产生的误差。借助卡尔曼滤波算法,融合惯性导航和卫星导航数据,实现组合导航。为了消除非定轴旋转产生的误差,本文首先根据角增量计算旋转矢量,然后进行四元素更新。组合导航系统通过分析惯导误差、杆臂误差和时间不相关误差,建立系统数学模型,利用信息融合算法,实现高精度定位。仿真实验,验证了算法正确性和可行性。