基于太阳矢量的皮卫星姿态角测量误差分析

分别分析计算了皮卫星姿态角测量的两大误差源:太阳矢量实际测量误差和轨道模型演化计算的太阳矢量误差。首先针对皮卫星体积小、重量轻、功耗低的特点,采用设计的微型太阳敏感器测量太阳矢量,与轨道演化计算获得太阳矢量相比,该方法更适合获取皮卫星姿态角度信息。通过分析获得太阳入射角——光电流非理想的余弦特性、光电流的噪声起伏、处理电路非线性、A/D采样非线性、温度测量不确定性等因素导致的太阳矢量实际测量误差为5.74°。由于皮卫星自身的特点不允许采用复杂的轨道演化模型,基于Kepler轨道模型计算获得的太阳矢量误差为0.1°。因此,基于太阳矢量的皮卫星姿态角测量总误差为5.84°。     

基于地磁场的炮射巡飞弹姿态测量方法研究

针对高过载下炮射巡飞弹姿态难以测量的问题,提出了基于地磁场的姿态测量方法.对测量原理、数学模型进行了详细推证;建立了利用地磁场矢量信息和火炮初始射向信息测量巡飞弹上升段和展开段飞行姿态的仿真模型,仿真结果显示姿态角测量误差小于0.5°,满足工程应用要求;给出测量系统的硬件组成,该测量系统功能器件少,工作稳定可靠,可以推广到在高过载环境下进行姿态测量的其它方案中.     

基于磁强计和陀螺的姿态测量方法

提出了一种采用磁强计和单轴微机械陀螺的低成本磁-惯性姿态测量方法.介绍了系统的基本组成及其工作原理.三分量磁强计固连在弹体上,三轴与弹体坐标系重合,单轴微机械陀螺安装在弹体轴线上;对陀螺测量的滚转角速率实时积分得到弹体滚转角,结合三轴磁强计输出的地磁分量测量值,通过求解姿态解算方程获得姿态信息.建立了弹体姿态解算数学模型,以某火箭弹为例,对该模型进行了仿真.误差分析表明:姿态角解算结果具有较小的误差,且误差不随时间积累.     

基于磁强计和陀螺测量的卫星轨道姿态一体化确定算法

突破卫星轨道和姿态参数分别确定分而治之的传统模式,提出了利用磁强计和陀螺测量信息同时确定卫星轨道和姿态参数的新方法。利用磁强计提供的地磁场测量值与地磁场模型计算值之间的差值,以及陀螺提供的角速度信息,推导了轨道姿态一体化确定扩展卡尔曼滤波算法。利用局部可观测性理论定量地计算系统局部可观测矩阵的条件数,进而利用该条件数对系统的可观测性进行深入分析。最后对本文算法进行了数学仿真,结果表明该算法的可行性和有效性。     

基于地磁场的轨道姿态一体化确定

突破卫星轨道和姿态参数分别确定分而治之的传统模式,提出了利用磁强计和陀螺测量信息同时确定卫星轨道和姿态参数的新方法.利用磁强计提供的地磁场测量值与地磁场模型计算值之间的差值,以及陀螺提供的角速度信息,推导了轨道姿态一体化确定扩展卡尔曼滤波算法.利用局部可观测性理论定量地计算系统局部可观测矩阵的条件数,进而利用该条件数对系统的可观测性进行深入分析.最后对本文算法进行了数学仿真,结果表明该算法的可行性和有效性.     

基于地磁场矢量误差反馈的姿态补偿算法

针对小型空中机器人在全球定位系统（GPS）失锁情况下的姿态估计问题,提出一种新的闭环姿态补偿算法.有GPS辅助的情况下,采用组合导航算法对姿态角和地磁场矢量做出估计;当组合系统无法有效工作时,将反馈控制的思想引入姿态估计过程,充分利用地磁场测量值与估计值之间隐含的姿态信息,通过地磁场矢量误差反馈对姿态角速率测量值进行修正,进而抑制惯性导航系统误差的发散.在小型空中机器人上对算法进行实物验证,并与参考系统对比.结果显示:在GPS失锁的情况下,与开环工作模式下的INS/GPS组合导航系统相比,新的闭环姿态补偿算法的姿态估计误差更小,使惯性导航系统的姿态误差积累得到了有效的抑制．     

基于地磁场矢量误差反馈的姿态补偿算法

针对小型空中机器人在全球定位系统（GPS）失锁情况下的姿态估计问题,提出一种新的闭环姿态补偿算法.有GPS辅助的情况下,采用组合导航算法对姿态角和地磁场矢量做出估计;当组合系统无法有效工作时,将反馈控制的思想引入姿态估计过程,充分利用地磁场测量值与估计值之间隐含的姿态信息,通过地磁场矢量误差反馈对姿态角速率测量值进行修正,进而抑制惯性导航系统误差的发散.在小型空中机器人上对算法进行实物验证,并与参考系统对比.结果显示:在GPS失锁的情况下,与开环工作模式下的INS/GPS组合导航系统相比,新的闭环姿态补偿算法的姿态估计误差更小,使惯性导航系统的姿态误差积累得到了有效的抑制．     

磁强计阵列测量一致性校正

为了有效解决磁强计阵列由于轴向不一致引起的误差对测量精度造成的影响,搭建由4个磁通门磁强计构成的阵列,利用欧拉旋转矩阵对其进行一致性校正。针对磁强计自身存在的非正交、刻度因子、零偏等误差影响因素,构建九参数校正系数矩阵对磁强计的磁场测量进行非正交补偿校正,得到理想正交的三分量磁场测量值。在此基础上选定测磁阵列中的参考磁强计,对待校正磁强计进行横倾、俯仰、方位3种姿态变换建立欧拉旋转矩阵,构建九参数一致性校正模型。并把参考磁强计与待校正磁强计置于无磁转台上进行实验验证。实验结果表明,经过磁强计测量误差补偿校正后,磁场测量均方根误差在10 nT以内,经过一致性校正后,各轴测量角度误差在0.01°(4.22 nT)以下。说明经过校正后磁强计阵列中不同测量点的磁强计磁场测量值可以很好地投影到基准磁强计的坐标轴上,并且可以正确放映测量点的磁场信息,具有很高的可靠性。     

面向飞卫星ADCS的地磁场历表模型设计

针对飞卫星姿态确定和控制系统(attitude determination and control system,ADCS)中,IGRF地磁场模型的计算复杂度高和存储空间量大的问题,设计了均匀采样和K曲率加权2种历表模型。首先,给出了均匀历表模型的软件流程、存储格式、轨道推演方法;然后,采用U曲率计算方法求解地磁场数据的离散曲率,并提出了K曲率加权方法设计非均匀历表模型;最后,比较了均匀采样和非均匀方法对原曲线的拟合程度,以及在ADCS中应用结果的比较。最终设计了适用于飞卫星的80点基于K曲率加权的非均匀历表模型,仅需0.96 kB存储空间,证明在计算速度和存储空间等方面和现有技术相比具有较大优势。     

高精度GNSS辅助下MEMS惯导的初始对准方法

针对MEMS惯导的初始对准问题,传统利用卫星导航辅助进行初始对准的方法误差较大,提出了一种基于速度矢量信息辅助求取航向角的初始对准改进方法。首先建立载体系到水平方位系的坐标变换模型,解算出姿态矩阵的三个欧拉角,完成水平对准;同时利用卫星导航系统的速度矢量信息、惯导输出数据积分获得的速度信息建立求取航向角的模型,完成姿态对准。通过车载实验结果表明,利用该改进方法减小了传统方法中由于卫星导航系统更新频率低造成的误差,获得的初始姿态对准精度为0. 37°(1σ)。     

Analytical Solution for an Elastic Sphere Indenting a Layered Half-Space

基于大气色散校正器的转角测量系统设计

李文杰^1,2,穆全全^1*,王少鑫¹,杨程亮¹,王海萍¹,曹召良¹,宣丽¹

(1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,长春 130033; 2.中国科学院大学,北京 100049)

创新点说明：

基于自准直仪,利用光楔设计一种转角测量系统,不仅可以实现转角的整周测量,而且结构简单,并能抑制轴系倾角回转误差对测量结果的影响,可广泛应用于其他的工程领域。

研究目的：

本文提出一种新的转角测量方法,该方法能抑制轴系倾角回转误差对测量结果的影响。

研究方法：

利用光楔和反射镜的组合设计了新的转角测量方法,可实现转角的整周测量。文中首先通过理论分析原始方法的缺点,在此基础上提出利用光楔代替传统方法中的反射镜,实现光线的偏折,可抑制轴系倾角回转误差对转角测量的影响。并对传统方法和本文所提新方法进行对比试验,验证所提新方法的优越性。

结果：

传统方法和新方法获得的转角测量误差分别为±1.5°和±0.05°,而且本文新方法中测量点的分布更加的随机。利用设计的方法测量两对蜗轮蜗杆机构的转角误差分别为±0.05°和±0.07°,均满足设计要求（±0.1°）。

结论：

本文基于自准直仪,设计了一种转角测量系统,利用光楔代替反射镜,实现对出射光线的偏折,可抑制轴系倾角回转误差对测量结果的影响。该系统不仅结构简单,还能实现转角的整周测量,大大扩展了自准直仪的应用范围。

关键词：光学测量;转角;自准直仪;轴系倾角回转误差;光楔

     

Design of the Rotation Angle Measurement System for the Atmospheric Dispersion Corrector (ADC)

In order to measure the rotation angle error of the worm and gear mechanisms in the atmospheric dispersion corrector( ADC),a novel measurement system based on the autocollimator is designed in this paper.Based on the position relations between the shaft and spot converged by rays of autocollimator,the rotation angle can be calculated quickly and conveniently using a brief algorithm. An optical wedge is introduced to the measurement system for suppressing the awful measuring error caused by the axial wobbly error. The measurement system can measure the shaft rotation angle at any rotation position,which is the novel usage of the two-dimensional autocollimator. Its optical layout is very simple. Only an optical wedge and two plane mirrors are needed besides the autocollimator. The measurement accuracy of the proposed method is less than±0.5 arcmin. In the measurement of two worms and gears mechanisms in ADC,the rotation angle error are±0.05° and ±0.07° respectively,which all satisfies the design demand( ±0.1°). The proposed measurement system can be also suits for some engineering fields.     

改进人工势场法的冗余机械臂避障算法

针对传统人工势场法应用于串联型冗余机械臂避障时无法约束各关节位姿、陷入局部极小后难以逃离的问题,提出一种改进人工势场法.建立冗余机械臂运动学模型,采用线段球体包络盒模型进行碰撞检测.在笛卡尔空间内建立末端引力势场和障碍物斥力势场,在关节空间内建立目标角度引力势场,所有势场共同作用引导机械臂运动.在关节空间内求解虚拟目标角度并采用高斯函数建立虚拟引力势场处理局部极小问题.利用七自由度冗余机械臂进行仿真和实验,结果表明:算法可约束各关节位姿,陷入局部极小后可引导机械臂逃离局部极小,最终完成避障;避障结束时各关节角度最大误差为0.8°,末端平均位置误差和平均姿态误差分别为0.010 m和2.40°,均小于传统算法;避障过程中各关节运动幅度小于传统算法.改进算法可引导机械臂逃离局部极小并完成避障,同时提高避障结束时各关节及末端的定位精度,对冗余机械臂的避障研究及应用具有一定的指导意义.     

基于遥测数据的定点自旋卫星姿态选优方法

自旋姿态确定和控制都是由地面完成,由于几何观测条件限制、测量误差和计算方法不同,姿态确定结果往往不一致,进而影响到姿态应用和控制精度.充分利用卫星定点后,星上红外地球敏感器对地观测弦宽变化规律,确定了自旋轴与轨道法向夹角与地球测量弦宽关系,推导了由卫星下传遥测数据差分值计算自旋轴与轨道法向夹角的计算公式,由于消除了测量数据系统差,精度得到了很大提高,在此基础上提出的姿态选优算法可以从不同定姿结果中选出最接近卫星真实情况的姿态.该方法已经在我国在轨自旋卫星日常测控中得到应用.     

一种用于人体运动捕获的自适应混合滤波融合算法

针对基于惯性传感器的人体运动捕获系统存在陀螺漂移和噪声干扰等问题,提出一种多元传感器信息融合的自适应混合滤波融合算法。算法首先利用快速高斯牛顿法对加速度计和磁力计数据进行姿态信息迭代估算,用四元数将参考坐标系中的加速度和磁场强度分量转换到载体坐标中,将转换后的值与当前时刻测量值的差值代入高斯牛顿迭代算法中用于四元数的实时值估计,通过确定搜索步长的最优值来缩短迭代次数,提高算法收敛速度。设计自适应的互补滤波器将高斯牛顿法解算的姿态信息作为观测矢量对陀螺漂移进行补偿,分别使用高通滤波器和低通滤波器处理陀螺仪数据和高斯牛顿算法优化过后的加速度计、磁力计数据。在互补滤波器中引入重力矢量及地磁参考矢量自适应调节滤波器参数用于实时调整不同算法的权重大小,融合后输出最终的姿态信息,实现最优估计。进行实验对比分析本算法和其他算法融合效果,结果表明,本算法有效降低陀螺累积误差、线性加速度及磁场对解算精度的干扰,磁干扰状态下误差为0.94 °,自由运动状态下误差为1 °。对比扩展卡尔曼滤波融合算法,本文算法执行时间缩短25 %,有效提升了运动捕获系统的性能。     

双目视觉下建立动态四轮定位测量平面的方法

针对现有车辆四轮定位设备受测量环境影响大等弊端,利用双目立体视觉测量技术,提出了一种车辆四轮定位测量平面的动态建模方法.通过推动车辆,获取多组车辆运动过程中的车轮靶标图像信息,运用空间向量方法,建立动态测量平面,计算车轮旋转轴,求取四轮定位参数,解决因测量现场不水平和测量环境干扰造成的误差偏大等问题,并简化了测量步骤.经过测试,四轮定位参数不受举升设备和场地影响,测量误差在±0.05°范围内.     

靶载光电脱靶量测量系统设计

针对靶场试验需求,在靶船上设计了脱靶量测量系统。基于双站交会测量方法,采用4台高速摄像系统,将其分别布置在靶船的艏艉,实现方位360°周视成像;不同作用距离下对成像大小进行了计算,得出在50m作用距离下,最小交汇角达10°时,交会测量误差不大于3m;计算了靶船摇摆带来的系统误差。该系统实现了对试验中目标着靶末段落点偏差测量。     

基于Kalman滤波算法角度测量信号融合技术研究

针对车载激光通信转台姿态角控制中陀螺仪传感器存在漂移误差等问题,提出了以陀螺仪传感器和加速度传感器作为测量元件对车载转台的姿态角进行测量的方法,并在MATLAB软件平台上建立卡尔曼滤波器将传感器采集的信号进行融合,以加速度传感器输出的姿态角信息对陀螺仪测量的姿态角进行修正、补偿,以提高姿态角测量的精度。通过建立试验系统完成测试,结果表明：应用Kalman滤波算法对陀螺仪和加速度传感器信号进行融合后,有效地减小姿态角的测量误差,为准确获得转台姿态角信息提供了理论依据。     

基于偏航观测器的偏置动量卫星姿态控制

研究了基于偏航观测器的三轴稳定偏置动量对地定向卫星姿态控制问题.由于采用的红外地平仪无法测量卫星的偏航信息,提出了一种基于偏航观测器的姿态控制方案.针对俯仰回路,利用测量的俯仰角实现了俯仰回路姿态控制;滚动/偏航回路的设计由2部分组成:基于偏航观测器的PD控制器和飞轮解耦环节.整个系统采用动量轮和反作用飞轮作为执行机构,磁力矩器提供的磁矩与地磁场作用产生的力矩实现了飞轮的动量卸载.最后对卫星姿态控制系统进行了仿真研究,结果表明,所设计的控制方案在飞轮输出力矩工作范围内,可使卫星达到很高的姿态控制精度.