舰载光电设备跟踪掠海目标的控制

舰载光电设备跟踪低空掠海目标时会由于载体摇摆受海面杂波的影响而导致跟踪失败,本文将基于CA模型的有限记忆最小二乘滤波与近似-比较模型前馈控制相结合,提出了一种能够全自动跟踪低空掠海目标的控制算法。该算法首先根据CA模型的最小二乘法从惯性导航角度数据滤波出速度数据前馈到速度回路;然后,通过近似-比较模型判断是否捕获了海面杂波;如果捕获了海面杂波,随即切换跟踪方式从电视跟踪转为数引跟踪。对提出的算法进行了试验验证,结果表明,该算法再次捕获掠海目标时间为437ms,比人工干预的5.93s提高了一个数量级。该算法在实现了全自动捕获、跟踪的同时,缩短了由于视轴扎海跟踪失败后再次捕获掠海目标的时间。     

舰载光电跟踪系统全自动低空控制算法

根据雷达定高算法提出了"近似-比较"数学模型,并设计出一种新的低空控制算法,该算法共分3步:对跟踪目标的角度进行反变换,在大地坐标系下进行合成角度的当前统计模型数据外推;"近似-比较"法进行数学建立模型,判断是否提取海面杂波;将外推数据进行正变换,对"扎海"的光电设备进行二次引导。通过试验,验证了该算法能够连续6s提供比雷达引导精度高一个数量级的二次引导及控制视轴稳定跟踪低空掠海目标的能力。     

捷联惯导系统的误差模型与仿真

为研究捷联惯导系统短时间导航精度,建立了导航误差数学模型,分析了惯性器件误差对系统导航精度的影响.应用捷联惯性导航原理,针对系统短时间导航的特点,简化了载体在导航坐标系的导航方程;由惯性器件安装误差与陀螺仪等效零漂经过方向余弦矩阵变换建立载体姿态误差方程;结合导航方程、姿态误差方程与惯性器件误差推导出载体速度误差与位置误差数学模型.在此基础上,建立了误差状态空间方程与误差模型框图.在Matlab/Simulink环境下建立了误差数学模型计算模块,用捷联惯导算法与误差模型共同解算地面150 s导航试验数据.结果表明:导航系X轴的相对系统误差＜20%,Y轴、Z轴的相对系统误差＜4%,验证了误差数学模型的正确性.此外,分析了加速度计精度的变化对短时间工作的捷联惯导系统导航误差产生的基本影响.     

光电跟踪仪自主搜索用的图像处理器

为动态显示扇形搜索空域的全景图像,必须设计专用的图像处理器,以解决快速搜索与人眼观察之间的矛盾。某舰载小型光电跟踪仪,搜索区域为沿水平和垂直方向分别扫过20倍瞬时视场的空域,搜索视场从1.7°×1.3°扩大为34°×26°。图像处理器以TMS32010DSP为核心,外加直方图、分类表存储器等辅助电路,完成实时图像采集、存储、拼接、显示、更新等功能,适应42.5°/s的扫描速率,获得比光学系统本身大20倍的搜索视场。     

一种新的舰载惯导系统摇摆基座初始对准方法

针对舰载惯导系统在摇摆基座条件下高精度初始对准问题,提出一种简单且易于实现的快速初始对准方法。利用开路法构建数学稳定平台隔离载体摇摆运动,提高了高精度舰载惯导系统摇摆基座对准过程中量测数据的信噪比,缩短了对准时间并提高了误差参数的估计精度;建立了开路法数学平台偏角的误差模型,利用参数辨识法提取相关对准参数,从而估计出陀螺漂移和数学平台偏角并进行补偿。海上试验结果表明,该对准方法可在8 h内达到优于0.000 5°/h的对准精度,有效地解决了摇摆基座条件下舰载惯导系统的高精度初始对准问题。     

旋转导向钻井惯导平台动力学分析与运动研究

将受到井下复杂扰动力矩作用的惯导伺服平台稳定控制在某一特定方位角度,是推靠式全旋转导向钻井系统实现准确导向的关键,但该平台对作用力矩非常敏感,小的扰动即可使其振荡失稳甚至单向旋转。通过对平台主要作用力矩的分析,建立一个考虑摩擦、水力冲击、质量分布偏心、安装误差偏心和涡轮电动机电磁作用等作用力矩的非线性动力学模型。基于该模型,仿真分析平台在无扰动和复杂扰动下的运动,得出了平台结构和扰动作用参数对平台运动影响的一般规律,水力驱动下的力矩测试试验验证了动力学分析的合理性。这些工作为改进系统机械设计和平台控制方法研究奠定了基础。     

舰载光电跟踪系统φ1032mm窗镜的研制

针对舰载光电跟踪系统反射式主光学系统的防护问题,提出了一米量级尺寸的窗镜、镜框的设计、制造和检测的方法。首先,对窗口材料的性能及强度进行分析,依据内外压差、自身重量以及旋转惯性力对窗镜强度的影响确定其最小的厚度。其次,依据指标要求分析设计窗镜、镜框的形变对窗镜等光程差的影响以及其环境适应性。然后,采用等光程非平面的修磨方法对带镜框的窗镜进行加工及检测。最后,成功研制出直径φ1 032 mm,厚度80 mm,通光口径φ1 010mm的融石英材料的窗口玻璃镜,等光程差为RMS=0.062 8λ@632.8nm。结果表明,该窗镜能够对舰载光电跟踪系统反射式主光学系统进行有效的防护。     

光电跟踪系统的双模控制

引入了模糊控制法和滞后超前校正法相结合的双模控制技术来提高光电跟踪系统的响应速度、抗干扰性能并降低超调。分别介绍了模糊控制法和滞后超前校正法的工作原理,基于两种方法的优势,设计了双模控制系统。利用MATLAB对双模控制系统进行了仿真实验和相应的实验验证。仿真实验显示:相比滞后超前校正法,双模控制法能够有效降低系统超调,提高系统响应速度,同时具有更强的抗干扰性。利用实际光电跟踪转台对双模控制法进行了实验验证,分别对转台进行了方位系统180°阶跃实验和俯仰系统60°阶跃实验,并与滞后超前校正法进行了对比。结果显示,双模控制法使方位系统和俯仰系统的超调都达到了0%,调节时间和稳态精度也都有所提高。得到的结果表明提出的双模控制法能够有效降低光电跟踪系统的超调,提高响应速度,增强系统的抗干扰性。     

捷联惯导系统误差模型与仿真分析

为研究捷联惯导系统短时间导航精度,建立了导航误差数学模型,分析了惯性器件误差对系统导航精度的影响。应用捷联惯性导航原理,针对系统短时间导航的特点,简化载体在导航坐标系的导航方程;由惯性器件安装误差与陀螺仪等效零漂经过方向余弦矩阵变换建立载体姿态误差方程;结合导航方程、姿态误差方程与惯性器件误差推导出载体速度误差与位置误差数学模型。在此基础上,建立了误差状态空间方程与误差模型框图。在Matlab/Simulink环境下建立了误差数学模型计算模块,用捷联惯导算法与误差模型共同解算地面150秒导航试验数据,结果表明：导航系X轴的相对系统误差小于20%,Y轴、Z轴的相对系统误差小于5%,验证了误差数学模型的正确性。此外,分析了加速度计精度的变化对短时间工作的捷联惯导系统导航误差产生基本的影响。     

单轴旋转惯导系统建模与仿真

建立了单轴旋转式捷联惯导系统数学模型和仿真模型,采用的导航算法能有效避免转台测角误差对系统定位精度造成的影响;仿真结果表明旋转IMU能提高抑制惯导定位误差的累积,提高惯导定位精度、姿态精度和速度精度也同时得到提高。     

基于四元数法的捷联式惯性导航系统的姿态解算

载体的姿态解算算法是实现捷联式惯性导航系统精确导航的核心技术之一。分析了欧拉法、方向余弦法、四元数法求解姿态矩阵的优缺点,采用四元数法与方向余弦法两种解算方法分别计算载体姿态,两种方法的计算结果之差与理论真值比较以得到解算的相对误差,从而验证了四元数法的正确性和有效性。最后,指出提高采样频率和采用高阶计算算法能进一步减小姿态解算误差。数字化仿真与转台试验结果表明,本文提出的载体姿态解算法的理论数值相对误差为10^-10％,测试实验相对误差为10^3％,计算时间为36μs,具有良好的实时性。     

一种新的基于加速度计的无陀螺捷联惯性导航系统设计与实现

提高角速度解算精度是提高无陀螺惯性导航系统导航参数解算精度的主要途径.本文通过对基于加速度计的无陀螺惯性导航系统的基本方程进行分解分析,研究了提高角速度解算精度的所有可能的加速度计安装布局方案,并结合考虑各种可能方案的原理样机的机械加工难易程度后,设计确定了一种新的既能够提高角速度解算精度、又易于实现样机研制的9加速度计的设计安装方案,根据该方案研制了样机,编制了导航参数解算软件,对系统进行了实验测试,实验结果表明,在静态条件下,研制的无陀螺惯性导航系统1 h的位置误差精度达到了1.5 km,姿态解算精度达到了0.082°.     

MEMS-based rotary strapdown inertial navigation system

As the inertial navigation completely depends on the sensed acceleration and rotation rate by IMU, the sensor errors accumulate and eventually lead to diverged inertial solutions. Therefore the compensation of the inertial sensor errors is an effective approach to improve the SINS navigation performance. The rotation error modulation in rotary SINS, which has been extensively used for the filter-optical IMU in the past, is one of the techniques to compensate or mitigate the inertial sensor errors and eventually improve the system navigation performance. The rotary SINS is an inertial navigator in which the IMU is installed on the rotational platform and rotated following the pre-designed rotation configuration, and the rotation error modulation is the technique that compensates the navigation errors caused by inertial sensor bias in a complete rotation cycle by rotating IMU. Given the auto-compensation of inertial sensor bias in rotation error modulation, the objective of this paper to develop a MEMS-based rotary SINS, in which the significant sensor bias is automatically compensated by rotating the IMU, to offer the comparable navigation performance to tactical-grade IMU. Simulation results indicate that, compared with the conventional method, the proposed approach attenuates the navigation errors and improve the calibration accuracy based on the reciprocating rotation scheme can be used to automatically improve the observability.     

单轴旋转惯导系统载体航向隔离方法研究

有规律地旋转惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)可将惯性器件的慢变误差在导航系中调制成周期性变化的信号,通过积分运算抑制器件该类误差,有效提高惯性导航系统长时间导航精度。基于IMU的测量误差模型,分析了旋转调制技术(rotation modulation technique,RMT)的基本原理和载体航向运动对旋转调制效果的影响。针对载体航向运动降低旋转调制补偿效果这一问题,提出了一种基于载体姿态解算驱动IMU转台的方法,并对该方法进行了理论分析和数学仿真。理论分析和仿真结果表明:该方法可以有效抑制载体航向运动对旋转调制效果的影响。     

机载光电/惯性组合着舰导引算法研究

提出了一种基于红外探测的机载光电/惯性组合着舰导引新方案,综合机载红外热像仪和惯导信息实现舰、机运动分离,完成舰载机半自动或自动着舰导引,具有精度高、自主性好、不易受电磁干扰的优点.阐述了系统方案,并深人研究了靶标规则摆放情况下的着舰导引算法,给出了计算机仿真结果.仿真结果表明,舰机相对航向角估计误差小于10′、着舰位置估计误差小于1 m,验证了方案的可行性及算法的有效性,具有较高的工程应用价值.     

基于嵌入式平台的高精度自动导星系统

对基于嵌入式平台的自动导星系统进行研究,设计了以ARM7为核心的自动导星系统。使用改进型质心算法以简化算法复杂度,实现导星分辨力达1／10pixel,导星灵敏度达8等星。配合赤道仪的使用,为其增加反馈机制,使之具有自动修正误差的能力,提高了跟踪精度,满足了深空星体的拍摄要求。该系统具有体积小,成本低、携带方便且导星精度及灵敏度高等特点。