工程与技术科学基础学科

基于射频前端的GPS软件接收机设计与验证

唐康华，吴美平，胡小平

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工程与技术科学基础学科

基于射频前端的GPS软件接收机设计与验证

唐康华，吴美平，胡小平

介绍了基于硬件射频前端的GPS软件接收机设计与验证.针对GPS串行的搜索算法速度慢的缺点，采用了高速的并行码相位搜索算法；设计和实现了码跟踪环和载波跟踪环，并用载波环路来辅助码跟踪环路；综合考虑接收机的动态性和噪声影响，采用最优化设计思想，设计了GPS软件接收机最优环路带宽.采用GPS中频信号采样器采集实际GPS数据，对搜索和跟踪算法进行了验证.测试结果证明所设计的搜索和跟踪方法是有效的，使得用户在微弱信号处理、多路径处理和发展新的算法等方面具有更大的灵活性，为实际的高性能硬件GPS接收机设计提供的重要的基础.

全球定位系统；软件接收机；并行码相位搜索；跟踪

来源出版物：中国惯性技术学报， 2007， 15（1）： 51-54入选年份：2012

相关地磁匹配定位技术

刘飞，周贤高，杨晔，等

摘要：地磁匹配定位算法的本质是数字地图匹配，相关匹配算法是数字地图匹配的有效算法.在地磁导航中该匹配算法自适应实时构造基准数据序列，并以HAUSDORFF距离作为相关判断准则.为了提高了算法实时性，提出了预匹配和精匹配相结合的改进措施优化了运算过程.在预匹配过程中，由于地磁数据的离散性，搜索步长定为一个基本网格单元，并与序贯相似检测原则相结合，这样可快速排除非匹配区，筛选得到精匹配所需要的可行区域.在精匹配中，引入了双线性插值法对地磁场原始数据进行加密内插以提高匹配精度.最后利用地磁场数据进行了仿真试验，结果表明在一定条件下该相关匹配算法对地磁导航具有适用性.

关键词：地磁匹配；数字地图；序贯相似检测；HAUSDORFF距离

来源出版物：中国惯性技术学报， 2007， 15（1）： 59-62入选年份：2012

一种新的激光陀螺惯性测量组合标定方法

袁保伦，饶谷音

摘要：根据激光陀螺和石英加速度计的简化输出模型，推导并提出了一种新的激光陀螺惯性测量组合标定方法.该方法首先建立了一个与转台无关的机体坐标系，然后利用惯性测量组合绕6个不共面轴转动的输出值求解出激光陀螺的比例因子和安装方位；与此同时，根据6个转轴在竖直向上和竖直向下位置时的惯性测量组合输出值来确定加速度计在同一机体坐标系下的比例因子、安装方位和漂移.理论分析表明，与传统的标定方法不同，新方法对激光陀螺的标定结果受转台精度的影响较小，可以克服减震装置变形对激光陀螺标定的影响，从而实现中等精度转台对惯性测量组合的高精度标定.

关键词：惯性测量组合；激光陀螺；标定；比例因子；安装误差

来源出版物：中国惯性技术学报， 2007， 15（1）： 31-34入选年份：2012

地磁辅助惯性导航系统的数据融合算法

杨功流，李士心，姜朝宇

摘要：对地磁辅助导航技术的基本原理进行分析，详细介绍了采样卡尔曼滤波算法并将其用于惯性/地磁导航系统的数据融合，即通过设计少量的SIGMA点，并计算这些SIGMA点通过非线性函数的变换，从而获得滤波值基于非线性状态方程的更新.仿真表明，特别是当系统非线性较大时，采样卡尔曼器性能明显优于扩展卡尔曼滤波器.因此，从某种程度上说，采样卡尔曼滤波可以替代扩展卡尔曼滤波在地磁辅助导航系统中使用.

关键词：惯性导航；地磁导航；卡尔曼滤波；匹配算法

来源出版物：中国惯性技术学报， 2007， 15（1）： 47-50入选年份：2012

直线段的重力场匹配水下导航新方法

吴太旗，黄谟涛，边少锋，等

摘要：针对当前重力场匹配算法在实时性和可用性上存在的不足，考虑到潜艇水下航行轨迹在短时间内为一条直线的特点，提出了一种基于直线段方式进行重力图形匹配的新方法.该方法通过以初始概略点位为中心的旋转搜索，选取满足在一条直线段上与测量点的重力误差在一定范围内的点集作为最终匹配点，并以实测海区数据为基础进行了实验验证.实验结果表明，这种基于直线段的重力场匹配新方法可以在一定程度上克服由于重力测量精度不够带来的匹配失效问题，能够获得很好的匹配效果，同时也解决了当前其它匹配算法在实时性上存在的突出问题.匹配算法在实时性和可用性上具有一定创新.

关键词：重力场；图形匹配；相关匹配算法；潜艇导航

来源出版物：中国惯性技术学报， 2007， 15（2）： 202-205入选年份：2012

旋转IMU在光纤捷联航姿系统中的应用

王其，徐晓苏

摘要：惯性测量单元输出信号的精度直接影响捷联惯性导航系统的精度，为了提高捷联系统的精度，以舰船光纤捷联惯性航姿系统为应用对象，采用了双轴旋转机构连续匀速旋转IMU的系统方法，把惯性测量单元输出信号中的漂移误差调制成正弦信号，通过捷联算法中的积分运算可以有效地消除陀螺和加速度计中的漂移误差，从而有效地提高捷联惯性航姿系统的精度，并进行了系统仿真实验.仿真结果表明：经过旋转以后的IMU输出信号误差较传统非旋转方法可以减小一个数量级.基于双轴旋转IMU的系统方法可以有效地减小IMU输出信号漂移误差和提高捷联惯性航姿系统的精度.

关键词：捷联航姿系统；双轴旋转；光纤陀螺仪；惯性测量单元

来源出版物：中国惯性技术学报， 2007， 15（3）： 265-268入选年份：2012

重力辅助导航匹配区域选择准则

程力，张雅杰，蔡体菁

摘要：通过在重力场区域中移动局部计算窗口的方法，计算了实测重力场各个局部的多种统计特征并使用填色等值线图进行了对比和分析，以局部重力场的标准差和经纬度方向相关系数作为匹配区域选择的数量指标，给出了重力匹配区经验选择准则.采用均方误差和平均绝对差算法在实测重力图上对重力辅助惯性导航系统进行了仿真研究，计算结果表明，在满足重力匹配区选择准则下进行的重力辅助导航，其导航系统定位误差小于一个重力图网格，匹配率大于90%.

关键词：组合导航系统；惯性导航；重力匹配；匹配区域

来源出版物：中国惯性技术学报， 2007， 15（5）： 559-563入选年份：2012

基于BP网络的地磁基准图制备及其精度评价

乔玉坤，王仕成，张金生，等

摘要：利用测量数据建模和插值是地磁基准图制备的两种基本方法，常用的地磁场建模方法不适合小尺度的区域地磁场建模.人工神经网络具有良好的逼近任意复杂非线性系统的能力，该文引入应用最为广泛的反向传播（Backward Promulgation，BP）神经网络建立区域地磁场的模型，将地理经度和纬度作为输入，地磁场总强度值作为输出，通过部分测量数据对网络进行训I练，用其余测量数据对网络的性能进行评价，进而由训练好的网络得到基准图制备需要的地磁数据.分别使用BP网络建模方法和8种插值方法在不同数据点分布情况下进行了基准图的制备实验，精度评价结果表明了 BP网络建模方法的有效性.根据实验结果对不同数据点分布情况下各种方法的优劣进行了比较.

关键词：BP网络；插值；地磁场；基准图；导航

来源出版物：中国惯性技术学报， 2009， 17（1）： 53-58入选年份：2012

利用ESO和TD进行的激光捷联惯组误差参数外场标定方法

杨晓霞

摘要：目的：目前，捷联惯导系统的实验室内系统级标定方法已经相对比较成熟，但是当惯组被安装到载体上以后，为了适应系统长期稳定的外场使用，需要对惯导系统误差参数的外场标定方法进行研究.由于外场条件下可利用的基准信息少、系统的可观测性差，采用传统的将误差参数扩展为系统状态从而进行各种滤波估计的方法的精度受到很大的制约.本文拟研究外场条件下（即不借助于转台等设备的条件下）通过观测导航误差来对惯组误差参数进行估计的方法，提供外场条件下惯导系统误差参数标定的一种思路.主要解决如下两个关键问题：如何设计外场条件下可行的位置和运动，提高系统的能观性，从而保障误差参数估计的精度；如何设计有效的算法对惯组误差参数进行快速高精度地估计.

方法：首先对外场条件下捷联惯组误差方程的能观性进行分析，根据能观测的组合状态与系统误差观测量（包括直接观测量速度误差和位置误差及其导数）之间的关系，分析各误差参数估计的精度、估计收敛速度和受噪声的影响程度，从而选取导航系中能观测的等效天向加表误差和近似能观测且估计速度较快的等效北向陀螺误差为待估参数，并进一步根据可观测量和待估计参数之间的关系，分析得到通过等效天向加表误差和等效北向陀螺误差估计九个误差参数的多位置标定设计原则，该原则可以作为外场条件下设计标定实验的指导原则.由于对等效天向加表误差和等效北向陀螺误差的估计用到了系统观测量的一阶及二阶微分信号，因此，需要设计有效的算法来提取观测信号的微分信号.本文给出了提取误差观测量微分信号的跟踪微分器（TD）算法和扩张状态观测器（ESO）算法，此两种方法均能够克服经典微分器将噪声放大的效应，而且能够实现对微分信号的快速及高精度地提取.结果：根据理论分析给出的多位置标定设计原则，给出了一组可行的多位置编排对惯组9个误差参数进行了标定计算，仿真结果表明，TD和ESO均能够较快速地提取出观测信号的一阶或二阶微分信号，并且提取二阶微分信号的估计收敛速度要慢一些.根据此方法实现了对陀螺和加速度计9个误差参数的估计，其中加速度计的零偏和标度因数误差的估计误差在设定值的2‰以内，陀螺零偏的估计误差在设定值的10%以内.为了进一步提高陀螺零偏的估计精度，提出了两步标定方法，此时陀螺零偏的估计误差在设定值的8‰以内，估计精度得到提高.

结论：通过ESO和TD提取导航速度误差的微分信息，进而计算惯组9个误差参数的外场标定方法从本质上揭示了外场可观测量与误差参数之间的关系，该方法不需要借助于其它的外部设备，只需要记录导航误差就能够完成误差参数的快速标定，易于在外场中实现.根据文中给出的多位置编排原则，很容易找到满足误差参数完全可辨识的实验方法，为外场条件下惯导系统的标定方法提供了一种新的思路.

来源出版物：中国惯性技术学报， 2010， 18（1）： 1-9， 15入选年份：2012

布里渊光纤环形激光器的发展与应用

洪伟

摘要：目的：随着光纤通讯和光纤传感技术的发展，布里渊光纤环形激光器迅速发展并得到了广泛应用.特别是它们在光信号慢光缓存、超窄线宽激光光源、多波长光纤激光器和布里渊光纤陀螺等方面的应用近年来引起了各国研究人员的广泛关注，由于布里渊光纤环形激光器具有一系列优异的特性，在全光通信、相干光通信及光纤传感等领域中具有日益重要的应用前景.基于陀螺的惯性技术是军事中的关键技术，光纤陀螺发展至今已经出现了三代，分别为第一代干涉式光纤陀螺、第二代谐振式光纤陀螺和第三代布里渊光纤陀螺.干涉式光纤陀螺发展至今，技术已经完全成熟，国外各种精度的干涉式光纤陀螺均达到批产水平，国内的中低精度干涉式光纤陀螺也已成熟，高精度陀螺也时有报道，但对于温度、振动等关键瓶颈技术并没有实质性突破，另外，由于干涉式光纤陀螺的精度与光纤线圈长度成正比，因此高精度干涉式光纤陀螺从原理上来讲无小型化可能.所有以上原因都为作为第三代光纤陀螺的布里渊光纤陀螺提供了广阔的发展空间.在此背景下，本文对布里渊光纤环形激光器及作为其主要应用之一的布里渊光纤陀螺进行了回顾.

方法：本文从光纤和几个主要光学器件的发展对布里渊光纤环形激光器的影响出发，综述了布里渊光纤环形激光器的发展历史，介绍了各种布里渊环形腔的特点，并探讨了它们的优点和存在的技术问题，重点回顾了布里渊光纤环形激光器在各研究领域中的应用及有代表性的研究成果.布里渊光纤陀螺作为布里渊光纤环形激光器的主要应用，一经提出就受到了世界各国研究机构的普遍重视.与干涉型光纤陀螺相比，布里渊光纤陀螺采用的光纤长度要短得多，信号处理系统大大简化，具有很高的理论灵敏度，在实现光纤陀螺高精度和小型化方面优势明显.文中还对布里渊光纤陀螺的原理和技术特点进行了分析，最后探讨了其发展过程中存在的技术问题及其发展前景.

结果：本文主要论述了随着光纤技术的进步和光器件的发展，布里渊光纤环形激光器的几个里程碑式的发展节点，侧重点主要在单频斯托克斯光的产生及其稳定性上，另外，对布里渊光纤陀螺的技术特点及其目前存在的主要技术问题进行了分析与总结.

结论：布里渊光纤环形激光器因具有线宽窄、频率稳定、增益方向敏感等优点而被广泛研究，并在越来越多的领域得到应用.在经历了发展阶段的起伏之后，受激布里渊光纤陀螺当前研究的重点集中在寻找突破受激布里渊激光振荡的非稳定性的方法和技术手段，并进一步形成陀螺的设计方案，包括新型抽运源及其耦合方式、信号解调和检测方式、偏振态控制技术和光纤绕制技术等方面的研究.这些方面都有望真正实现受激布里渊光纤陀螺的最终突破.

来源出版物：中国惯性技术学报， 2010， 18（1）： 115-119入选年份：2012

陀螺零偏二次模型参数的系统级辨识算法

李鹏飞，胡小毛，周喆，等

摘要：以单轴旋转光学捷联惯性导航系统为原型，假设水平陀螺常值漂移的影响得以完全调制，方位陀螺漂移为随时间变化的二次模型，在水平阻尼工作模式下推导了系统位置误差与方位陀螺漂移之间严格的数学关系.分别设置了方位陀螺漂移仅有常值项、一次项、二次项和全系数误差的误差模型，利用递推最小二乘算法成功辨识出设定的二次模型中各个参数值.仿真结果表明，常值项首先被辨识出来，估计时间约为14 h，估计误差为6.54e-6（°）/h；一次项系数估计时间约为30 h，估计误差为2.73e-8（°）/h二次项系数估计时间约为42 h，估计误差为1.51e-9（°）/h；全系数估计需要45 h，估计误差为7.28e-6（°）/h.辨识结果验证了该算法的正确性.实际系统中，可适当增加总的辨识估计时间，以达到更高精度的辨识结果.

关键词：旋转调制；水平阻尼；陀螺漂移误差模型；模型辨识；递推最小二乘

来源出版物：中国惯性技术学报， 2012， 20（4）： 478入选年份：2012

光纤陀螺光纤敏感线圈三维温度瞬态响应模型

王巍

摘要：目的：目前针对光纤敏感线圈的温度分布模型的研究一般集中于修正和推广 Mohr温度模型，并建立传统的二维光纤敏感线圈温度响应模型，而开展光纤敏感线圈三维温度模型的研究大都采用有限元分析的方法，模型数据量大，计算比较复杂，实用性差.本文从传热学分析的角度建立了光纤敏感线圈的三维温度瞬态响应模型，从而获取任意时刻陀螺内部光纤敏感线圈各点处的温度分布，从而可以定量获取光纤敏感线圈的温度性能变化.

方法：利用传热学方法建立三维光纤敏感线圈的温度瞬态响应模型，获取光纤线圈中每一匝光纤离散点处随时间变化的温度分布，从而计算得到光纤敏感线圈瞬态温度响应的热致误差速率.绕至在骨架上的光纤敏感线圈各点温度随时间和位置的变换函数为，求解过程中将光纤敏感线圈的包层和纤芯的热传导系数归一化，通过热分析针对光纤敏感线圈建立带有边界条件和初始条件热传导方程.将沿径向和轴向的所有光纤束看作一个整体，列出其热传导微分方程.光纤敏感线圈与骨架接触面接受一个固定的温度载荷，光纤敏感线圈的最外一束与周围环境进行热交换（该部分包括对流换热和与周围外壳间的辐射换热，计算过程中将辐射换热线性化等效为对流换热的形式），将其作为第三类边界条件.由于骨架具有均匀的温度，此时待求解的光纤敏感线圈是一个中心轴对称的物体，因此光纤敏感线圈的任一点温度可看作与角度无关的.光纤敏感线圈具有统一的初始温度，从而列出传导微分方程.

结果：根据建立的三维光纤敏感线圈的温度瞬态响应模型对某空间型号用的光纤陀螺光纤敏感线圈进行仿真计算.由于在空间应用领域，可以让陀螺有足够长的稳定时间，在该过程中其内部温度场逐渐达到稳态，此时环境温度的扰动将是引起零偏变化的主要因素.对该光纤陀螺在不同的外界环境温度扰动下进行试验，温度变化曲线选用热循环试验条件中高温保持阶段进行上述温度响应模型的验证.利用光纤敏感线圈温度瞬态响应模型可计算得到各时刻光纤敏感线圈的温度场分布，并将各点温度值代入即可得到热致误差速率.根据温度模型计算的热致误差速率与陀螺的稳测数据间的极差在0.48°/h左右，说明了利用温度响应模型计算热致误差速率的有效性.

结论：从传热学分析的角度，建立了光纤敏感线圈的三维温度瞬态响应模型，从而获取任意时刻陀螺内部光纤敏感线圈各点处的温度分布，并利用该模型对某四极对称绕制的光纤敏感线圈进行定量分析，得到了光纤敏感线圈温度激励造成的陀螺热致速率误差.对温箱中光纤陀螺的高温保持阶段的试验数据进行分析计算，计算结果验证了三维光纤敏感线圈温度瞬态模型的有效性，并为下一步进行光纤敏感线圈热结构参数设计提供依据，从而抑制光纤敏感线圈的Shupe误差，提高光纤陀螺的温度性能.

来源出版物：中国惯性技术学报， 2012， 20（5）： 605入选年份：2012

我国首次空间交会对接远距离导引方案设计与飞行验证

王忠贵

摘要：针对交会对接任务远距离导引，分析了远距离导引的主要任务及导引控制策略、测控通信支持等方面的需求，进行了远距离导引方案设计，并给出了在我国首次空间交会对接任务中的验证情况.

关键词：交会对接；远距离导引；测控通信；飞行控制；飞行验证

来源出版物：中国科学（技术科学）， 2012， 42（7）： 764-770入选年份：2012

换热器设计中的（火积）耗散均匀性原则

郭江峰，许明田，程林

摘要：本文建立了（火积）耗散均匀分布原则（EoED）：在给定热负荷和换热面积条件下，当局部（火积）耗散率在换热器中均匀分布时，总的（火积）耗散率取得最小值.并且证明了当传热系数不固定时，（火积）耗散均匀分布所得出的总（火积）耗散率小于温差均匀分布所得出的总（火积）耗散率，而有效度大于温差均匀分布的结果.如果假设换热系数固定，则（火积）耗散均匀分布等价于冷热流体的温差均匀分布.发现用熵产均匀分布原则和（火积）耗散均匀分布原则对换热器进行优化得出的熵产和（火积）耗散不相同.本文从理论上分析了熵产最小法与（火积）耗散最小法的适用范围：前者用于换热器的优化是基于使做功能力损失最小，而后者没有涉及到做功过程.并举例验证了熵产最小法与（火积）耗散最小法的区别，计算结果表明熵产数不适用于不同换热器间性能的比较，因为它直接依赖于流体的出入口温度；而（火积）耗散数不直接依赖于流体的出入口温度，因此，更适合作为不同换热器之间性能比较的标准.

关键词：熵产；熵产数；熵耗散；（火积）耗散数

来源出版物：中国科学（E辑）， 2010， 40（6）： 671-676入选年份：2013

旋转式光学陀螺捷联惯导系统的旋转方案设计

翁海娜，陆全聪，黄昆，等

摘要：在光学陀螺捷联式惯性系统中，利用系统旋转补偿技术可对陀螺组件和加速度计组件的输出误差进行调制，从而抑制系统的误差发散，提高导舷精度.通过分析惯性测量组件的误差模型和旋转式捷联系统误差传播方程，解释了旋转误差补偿的机理.针对惯性测量组件输出误差的特性，设计单轴正反转停和双轴转位的系统旋转方案.在摇摆状态下分别对无旋转、单轴和双轴三种方案进行长时间导航仿真，对旋转补偿误差的能力进行了比较.结果表明：旋转能够抑制长期的定位误差发散，在角运动状态下旋转系统能比无旋转系统保持更好的姿态精度.

关键词：旋转；光学陀螺；误差补偿；捷联惯导系统；惯性测量组件

来源出版物：中国惯性技术学报， 2009， 17（1）： 8-14入选年份：2013

组合导航系统非线性滤波算法综述

赵琳

摘要：目的：数据融合技术，特别是各种滤波算法的出现，为组合导航系统的实现提供了理论基础和数学工具.本文通过分析现阶段组合导航系统中非线性滤波算法的研究现状，对组合导航系统非线性滤波算法进行展望，预测了其进一步的可能研究方向.方法：组合导航系统本质上是非线性的.从系统内部来讲，构成组合导航系统的传感器总是存在不同程度的非线性，因为环境变化及传感器自身故障可能导致描述传感器数学模型的结构和参数发生变化，原来被忽略的传感器非线性特征被激发出来，此时就必须采用非线性化的数学模型来近似描述传感器的特性；从外部环境来讲，外部环境因素对组合导航系统的影响可以等效地用许多扰动来表示，这些扰动通常是不可预测的，它们可能是线性的，也可能是非线性的.长期以来，扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter，EKF）因其实现简单、收敛速度快等优点而被广泛应用于组合导航系统中的非线性状态估计.但EKF存在一阶线性化近似精度偏低、需要计算雅克比矩阵及要求非线性函数连续可微等自身无法克服的理论局限性，尤其在组合导航系统具有强非线性和高维数时，EKF滤波精度不佳，数值稳定性较差.为了克服EKF的缺点，学者已经提出了许多具有里程碑式意义的经典非线性滤波算法，包括基于UT变换的Unscented卡尔曼滤波器（Unscented Kalman Filter，UKF），及基于随机采样的粒子滤波（Particle Filter，PF）.

结果：UT变换是基于一组在个数、空间位置分布方式及权值方面确定的加权采样点来逼近非线性状态的后验分布，且采样点都是依据确定的数学解析式来获得的，因此UKF是一种确定采样型滤波器.不管组合导航系统非线性程度如何，UT变换至少以二阶泰勒精度逼近非线性状态的后验均值和协方差，由此推断，UKF的精度高于EKF，特别适用于具有强非线性特征的组合导航系统状态估计问题；同时，UKF无需计算非线性函数的雅可比矩阵，比EKF更容易实现，且不要求非线性函数必须连续可微，有效克服了EKF的理论局限性.与PF相比，UKF基于确定解析采样方式来对组合导航系统非线性状态的先验分布进行抽样，PF则基于随机采样来对先验分布进行抽样，因此在面向具有高维数的组合导航系统时，它们的计算量远远小于PF，且不会出现 PF因随机采样而产生的粒子退化和贫化.

结论：虽然关于UKF的稳定性分析已有相关文献报道，但该充分性条件过于保守，方法比较复杂且限制因素过多，不具有通用性，缺乏可操作性，几乎不可能在工程上得到应用，因此面向组合导航系统的应用需求，有必要进一步开展关于UKF收敛性分析的研究，给出简单实用的收敛性条件，从而可以更有效地对滤波性能进行评价.另外，UKF的采样策略已有很多种，其要么精度低，无法精确得到非线性状态后验分布的高阶项信息，对非线性状态的滤波效果不佳，要么精度高，但计算过于复杂而实时性差，造成UKF在组合导航系统中实现困难，因此如何根据系统的性能要求（计算复杂度和精度要求）对采样策略进行自适应选取，有可能成为组合导航系统UKF滤波器的未来研究方向.

来源出版物：中国惯性技术学报， 2009， 17（1）： 46-52， 58入选年份：2013

基于转台误差分析的高精度惯测组合标定编排改进

张红良

摘要：目的：惯性测量组合（IMU）标定是比较IMU的输出和已知参考输入，确定标定参数的过程.高精度IMU标定一般依赖转台提供转动或姿态参考输入，由于机械加工和电气控制误差的影响，转台存在位置控制误差、轴正交度误差等多种误差.转台误差会导致IMU参考输入误差，进而给IMU标定带来误差，因此高精度IMU标定必须考虑转台误差的影响.合理的标定编排能够抑制转台误差，保证标定精度.本文在分析转台误差影响规律的基础上，提出了一种典型标定编排改进方案，有效抑制了转台误差的传播，提高了IMU标定精度.

方法：本文考虑转台的角位置控制误差和轴正交度误差，建立了转台误差模型，分析了转台轴正交度误差对转台内、中、外框转轴矢量的影响，推导了存在转台角位置控制误差时转台转动四元数矢量的表示.介绍了一种典型标定编排方法：包含绕X、Y、Z轴的正反旋转和24位置静态测试.利用转台误差模型，理论分析了该标定编排方法造成的标定基准系误差.基于标定中一些转台误差的影响在对称位置上可以互相抵消的规律，本文提出了一种增加对称位置的标定编排改进方案：通过两次绕X、Y、Z轴的正反旋转标定陀螺刻度因子和安装误差项，利用48个静态位置标定陀螺常值零偏及加速度计刻度因子、安装误差项和常值零偏.误差分析表明该方案有效抑制了转台误差的传播，避免了标定基准系误差.通过设计仿真，对比标定编排改进前后标定参数的精度.采用角秒级三轴标定转台对某型号激光陀螺捷联惯性导航系统（陀螺精度0.005 deg/h（1σ），加速度计精度2e-5g（1σ））进行标定测试，分别利用本文提到的改进前后的两种编排方案各标定一次，对标定后的捷联惯性导航系统分别进行1 h的纯惯导试验，通过对比导航精度评价两种标定编排的优劣.

结果：利用转台误差模型分析表明，标定编排改进前，由于转台误差的影响，标定基准坐标系不正交，且陀螺和加速度计标定基准系不重合；通过标定编排改进，抑制了转台误差的影响，建立了完全正交的标定基准系，实现了陀螺和加速度计基准系的一致.仿真结果表明编排改进前后陀螺和加速度计的刻度因子和零偏的标定精度相当，但编排改进方案有效提高了IMU陀螺和加速度计安装误差角的标定精度.真实试验表明采用改进后的编排方案标定IMU，惯性导航系统1 h纯惯导的位置导航精度优于采用编排改进前的标定方案.

结论：转台误差会影响高精度惯性测量组合标定精度.通过合理设计标定编排可以抑制转台误差的影响，提高标定精度.通过建立转台误差模型，理论分析了转台角位置控制误差、轴正交度误差对一种典型标定编排的影响.根据转台误差影响规律，提出了一种标定编排的改进方案，误差分析表明编排改进能够抑制转台误差的传递，提高标定精度.仿真和试验结果表明，改进的标定编排方案提高了陀螺和加速度计的安装误差角标定精度，提高了激光陀螺捷联惯性导航系统的导航性能.

来源出版物：中国惯性技术学报， 2010， 18（1）： 129-134入选年份：2013

紧耦合GPS/INS组合特性及其关键技术

周坤芳

摘要：目的：随着GPS/INS组合导航系统在军民各领域广泛应用，分析常规紧耦合和深紧耦合GPS/INS组合模式、结构及工作原理，基于深紧耦合GPS/INS组合模式的优越特性，研究深紧耦合GPS/INS组合从仿真到工程化中的几个关键技术问题，目的是为相关人员在组合导航系统研制时参考.

方法：鉴借国外紧耦合GPS/INS组合模式的实验研究，运用定性分析和定量仿真相结合的方法，分析常规紧耦合和深紧耦合GPS和INS组合模式的构成及特性.根据深紧耦合GPS/INS组合结构、信息融合方式及组合机理，研究实现深紧耦合GPS/INS组合从仿真设计到工程化过程中几个关键技术.

结果：从国外多种比较典型的紧耦合型GPS/INS组合方案中，梳理出两种基本模式：常规紧耦合型和深紧耦合型组合模式.通过对两种典型的组合模式结构分析，从抗干扰能力、伪距测量精度及导航定位能力三方面进行定量仿真分析.（1）无论是窄带干扰，还是宽带干扰，深紧耦合GPS/INS组合模式比常规紧耦合GPS/INS组合模式，接收机抗干扰能力提高4～5 dB左右.（2）采用深紧耦合组合模式，Kalman滤波器的量测输入取自于伪距残差，消除了误差根源，同时Kalman滤波器被包在跟踪环路之中，带宽允许更窄.在相同的C/N0条件下，BDLL由2 Hz降低到0.03 Hz，伪距测量精度提高近9倍.（3）采用深紧耦合INS/GPS组合模式，实现低信噪比条件或高动态情况下GPS信息辅助INS，消除了惯性器件引起的INS积累误差，提高了系统导航定位精度；当GPS接收机出现故障时，INS又可以独立进行导航定位，实现了系统的连续导航定位，深紧耦合INS/GPS组合模式大大提高了系统导航定位能力.深紧耦合组合模式涉及到GPS接收机内部编排，实施难度较大.要想实现从仿真到工程化，急需要考虑几个技术问题.（1）组合方案研究：不同的组合模式与方案，实现难易程度和组合效果不一样.从技术的可实现出发，从常规紧耦合组合模式研究入手，对于深紧耦合模式可以先行进行算法、信息融合、仿真等技术方面的研究.（2）接收机技术：实现深紧耦合组合模式，有必要与相关厂商进行联系，联合攻关突破对GPS接收机内部结构技术研究的瓶颈.（3）数据处理技术：针对集中式的Kalman滤波器进行数据优化处理时，在实现系统最优组合时会遇到所谓的“维数灾难”，也不利于故障的诊断和隔离，解决方法是分散化数据滤波处理，采用分布式滤波和联合滤波.在研究组合数据处理时，注重研究分散化滤波算法，通过对信息融合不同算法的仿真，寻求系统最佳的信息融合.（4）故障诊断技术：系统Kalman滤波器处理的是来自GPS和INS的原始测量数据，它必须判定这些测量值是否因动态或者干扰而变差.如果测量变差，滤波器必须有足够的适变能力去调整变差的程度.在分系统失效的情况下，滤波器必须能切换到不同的导航模式.要深入研究故障诊断技术，确保能对系统的各种状态做出检测.

结论：从常规紧耦合GPS/INS组合模式研究着手，通过对深紧耦合GPS/INS模式信息融合、数据处理、故障诊断、算法、仿真等技术方面的研究，联合相关厂商攻关，突破对GPS接收机内部结构技术研究，最终实现深紧耦合GPS/INS组合系统的工程化.

来源出版物：中国惯性技术学报， 2009， 17（1）： 42-45入选年份：2013

基于双矢量定姿的摇摆基座粗对准算法分析与实验

赵长山，秦永元，白亮

摘要：通过分析将捷联惯导解析粗对准归纳为双矢量定姿问题.根据定姿算法中参考矢量构造方式的区别将解析粗对准算法分为传统算法和摇摆基座算法.研究了传统算法参考矢量构建过程，指出其不适用于摇摆基座环境.在双矢量定姿框架下推导了基于惯性空间重力积分矢量的摇摆基座算法.并通过摇摆台试验验证了该算法的有效性.

关键词：双矢量定姿；摇摆基座；粗对准；捷联惯导；重力积分

来源出版物：中国惯性技术学报， 2009， 17（4）： 436-440入选年份：2013

捷联惯导系统罗经法自对准

李瑶，徐晓苏，吴炳祥

摘要：研究了摇摆状态下捷联惯导系统罗经法自对准技术，设计了水平、方位精对准参数以及基于Matlab/Simulink的参数分析系统，最后进行了基于VC++6.0的捷联惯导系统罗经法自对准的软件设计、仿真分析与精度评估.仿真结果表明，罗经法自对准在不同海情、不同初始姿态误差角、全方位、带量化误差的条件下均具有较高的对准精度、较好的快速性和动态品质，能够满足捷联惯导系统在摇摆基座下实现自对准的要求，同时为下一步的工程应用提供了依据.

关键词：捷联惯导系统；罗经效应；自对准；参数分析系统；精度评估

来源出版物：中国惯性技术学报， 2008， 16（4）： 386-389入选年份：2013

简化UKF滤波在SINS大失准角初始对准中的应用

严恭敏，严卫生，徐德民

摘要：基于欧拉平台误差角的概念提出了大失准角误差条件下的捷联惯导系统（SINS）非线性初始对准误差模型，该模型无法再用经典的加性噪声模型描述，为了降低滤波计算量，在系统模型噪声和量测噪声均为复杂加性噪声并且量测方程是线性方程时，推导了简化的UKF（Unscented Kalman Filter）滤波方法，简化UKF滤波公式显示：除通过非线性状态方程使用UT（UnscentedTransformation）变换进行状态及其方差预测外，其它滤波步骤与标准KALMAN滤波完全相同.最后，对静基座下SINS初始对准进行了仿真试验，结果表明大失准角条件下的SINS误差模型和简化UKF滤波估计方法是有效的.

关键词：UKF滤波；捷联惯导系统；初始对准；大失准角；仿真

来源出版物：中国惯性技术学报， 2008， 16（3）： 253-264入选年份：2013

单轴旋转对惯导系统误差特性的影响

于旭东，王宇，张鹏飞，等

摘要：分析了单轴旋转惯导系统自动补偿的基本原理，对陀螺和加速度计常值漂移、安装误差、标度因数误差等因素在单轴旋转下的调制情况进行了研究.通过仿真分析了转动速度对各种误差的影响规律，指出了实际系统旋转速度和方式的选择要综合考虑陀螺的常值漂移和标度因数误差的影响.利用激光捷联惯导系统在实验室中进行了单轴旋转IMU实验，其定位精度优于1 nm/24 h.研究结果可以为单轴旋转惯导系统的进一步优化和工程设计提供理论参考.

关键词：惯导系统；单轴旋转；激光陀螺；误差分析

来源出版物：中国惯性技术学报， 2008， 16（6）： 643-648入选年份：2013

系统级双轴旋转调制捷联惯导误差分析及标校

陆志东，王晓斌

摘要：旋转调制技术可以调制惯性器件常值误差，有效提高惯导系统的长航时导航精度.出于一种旋转调制式捷联惯导系统的研制需求，从旋转调制式捷联惯导的基本原理出发，提出了一种系统级双轴旋转调制式捷联惯导工程实现方案，并对其系统误差特性进行了深入的分析及仿真，找出了影响系统长航时导航精度的误差源.基于此，为了能仅利用系统自身旋转机构就可对主要误差源进行估计补偿，提出了一种系统级自标校方案.通过计算机仿真表明：此方案可以对影响系统长航时精度的主要误差项进行精确估计，是一种有效可行的系统级标校方案.

关键词：捷联惯导；双轴旋转调制；误差分析；系统级自标校

来源出版物：中国惯性技术学报， 2010， 18（2）： 135-141入选年份：2013

基于（火积）耗散极值原理的蒸汽发生器构形优化

肖庆华，陈林根，孙丰瑞

摘要：应用（火积）炮耗散极值原理和构形理论，采用解析方法对蒸汽发生器进行构形优化设计.结果表明：最优管道间距、烟气质量流率和最大（火积）娠耗散率都取决于无量纲管径、烟气的无量纲压降数和烟气流道的无量纲长度，而最优管道数量以及上升管和下降管的数量除了取决于这3个无量纲数，还取决于无量纲管道高度.当驱使烟气流动的压差增大且管径和烟气流道长度都减小时，最大（火积）炸耗散率增大，高温烟气的热量传递过程的平均热流变大，系统性能得到了提高.相比基于传热率最大的最优构形，基于（火积）煅耗散率最大的最优构形更能提高蒸汽发生器的整体传热性能.

关键词：（火积）炸耗散极值原理；构形理论；蒸汽发生器；（火积）炜耗散率；广义热力学优化

来源出版物：中国科学（技术科学）， 2011， 41（8）： 1090-1096入选年份：2013

温度场与温度梯度场的均匀化

程雪涛，徐向华，梁新刚

摘要：基于模拟退火算法和仿生优化方法，分别以均匀化温度场和均匀化温度梯度场为目标，对二维导热问题进行了数值研究，优化了高导热材料的分布.研究结果表明：这2个优化目标之间存在一定的一致性，而仿生优化方法可以有效的节约计算时间；此外，对2个优化目标而言，高导热材料的填充量和导热系数比都存在阈值，高导热材料的填充量和导热系数比超过阈值后，其增加对均匀化温度场与均匀化温度梯度场的作用不再明显.

关键词：温度场均匀化；温度梯度场均匀化；仿生优化方法；模拟退火算法

来源出版物：中国科学（E辑）， 2009， 39（10）： 1730-1735入选年份：2013

液-固相变过程煅耗散最小化

夏少军，陈林根，孙丰瑞

摘要：对一类简单一维平板液-固相变过程进行了研究，在过程总时间一定的条件下，以过程的煅耗散最小为优化目标，应用最优控制理论导出了外界热源温度随时间变化的最优规律，得出了对应于相变过程煅耗散最小最优换热策略下的煅耗散为恒温换热策略下的煅耗散的8/9，且与系统其它参数无关的结论.给出了数值算例，并与传统的恒温换热策略和熵产生最小最优换热策略进行了比较.本文研究结果对实际液-固相变过程最优换热策略的选取具有一定的理论指导作用.

关键词：液-固相变过程；煅耗散最小化；最优控制；有限时间热力学；广义热力学优化

来源出版物：中国科学（E辑）， 2010， 40（12）： 1521-1529入选年份：2013

以（火积）耗散最小为目标的电磁体多学科构形优化

魏曙寰，陈林根，孙丰瑞

摘要：利用（火积）耗散概念，推导出线圈（电磁体）在加入高导热材料情况下平均传热温差表达式，为应用（火积）耗散极值原理优化奠定了理论基础.在此基础上，针对电磁体稳态工作（磁场强度为定值，电磁体内各点均匀产热，发热量为定值）的情况，分别在无体积约束、给定体积约束两种不同条件下，以（火积）耗散最小（也即平均传热温差最小）为目标对电磁体进行了构形优化.另外，分析了高导热材料对磁场的影响，并研究了平均传热温差最小值随体积、磁场强度的变化规律.

关键词：构形理论；（火积）耗散；电磁体；多学科性能优化

来源出版物：中国科学（E辑）， 2009， 39（9）： 1606-1613入选年份：2013

函数S-粗集与隐藏规律安全-认证

史开泉，赵建立

摘要：函数S-粗集是用具有动态特性的R-函数等价类定义的，函数S-粗集具有动态特性、规律特性与规律隐藏特性.函数S-粗集能够生成，F-隐藏规律、F-隐藏规律.把信息安全理论与函数S-粗集嫁接、交叉、渗透；给出F-隐藏规律、F-隐藏规律的安全隐藏与认证.函数S-粗集与信息安全理论融合、共享，是信息系统中信息规律应用研究的一个新的研究方向.

关键词：函数S-粗集；规律隐藏；椭圆曲线；隐藏规律安全；认证

来源出版物：中国科学（E辑）， 2008， 38（8）： 1234-1243入选年份：2013

以煅耗散最小为目标的空腔几何构形优化

谢志辉，陈林根，孙丰瑞

摘要：（火积）耗散极值原理给出了新的传热优化的理论依据和评判标准.针对导热固体中包含开口空腔的2种情形（内部产热和外受热），引入了基于煨耗散定义的无量纲当量热阻，并以之最小化为目标，对模型进行了构形优化.数值结果验证了本文方法的必要性和可行性.与以无量纲最大热阻最小化为目标的优化结果对比发现，不论哪种模型，当空腔占固体的体积百分比Φ较小时，2种优化部结果无明显差别，但随着Φ和固体长宽比HIL，值的增大，2种优化结果区别越大.固体外受热时的最优空腔，始终比内部产热时的最优空腔更细长.系统的传热性能受热量来源的影响较大，外部加热时的煨耗散比内部产热时的（火积）耗散增加了2-3倍，系统传热性能降低.本文方法对相关热设计问题具有一定指导意义.

关键词：构形理论；煨耗散极值原理；传热；空腔；广义热力学优化

来源出版物：中国科学（E辑）， 2009， 39（12）： 1949-1957入选年份：2013

（火积）耗散极值原理在辐射换热优化中的应用

吴晶，梁新刚

摘要：类比于导热和对流换热过程中（火积）的定义，在辐射换热中引入（火积）流和（火积）耗散的概念，由于辐射换热是不可逆过程，故（火积）在该过程中将部分被耗散.提出了辐射换热优化的（火积）耗散极值原理：对于具有一定约束条件的辐射换热过程，在给定温度边界条件的情况下，（火积）耗散最大时辐射换热过程最优（热流最大）；在给定热流边界条件的情况下，（火积）耗散最小时辐射换热过程最优（温差最小）.最后针对具体算例说明了该原理在辐射换热中的应用.

关键词：（火积）耗散极值原理；辐射换热；优化

来源出版物：中国科学（E辑）， 2009， 39（2）： 272-277入选年份：2013

基于矩形单元体的以（火积）耗散最小为目标的体点导热构形优化

魏曙寰，陈林根，孙丰瑞

摘要：以基于（火积）定义的反映平均传热效果的当量热阻最小为优化目标，对均匀内热源单点冷却的体点构形问题进行再分析和优化，得到结构体内平均散热效果最好的结构外形.对于单元体与第一级构造体，当高传导材料中热流密度符合线性分布时，基于（火积）耗散最小的优化构形与基于最大温差最小的优化构形一致，平均传热温差为最大传热温差的2/3；对于第二级及以上的构造体，由于高传导材料中热流密度不可能符合线性分布，基于（火积）耗散最小的优化构形与基于最大温差最小的优化构形是不同的.在给定相同参数条件下，分析比较了基于（火积）耗散最小的构形和基于最大温差最小的构形，发现基于（火积）耗散最小的构形相对基于最大温差最小的构形可以更好降低平均传热温差，但是随构造体级数增加，平均传热温差并不总是减少，而是具有波动变化.由于（火积）更能反映对传热能力的要求，因此可基于此对各种导热构形问题进行再优化.

关键词：构形理论；（火积）耗散；“体-点”导热；广义热力学优化

来源出版物：中国科学（E辑）， 2009， 39（2）： 278-285入选年份：2013

基于三角形单元体的气-固反应器构形优化

周圣兵，陈林根，孙丰瑞

摘要：将构形理论引入多孔介质气-固反应问题中进行研究，首先以三角形单元体为研究对象，以传热传质过程中的熵产生最小为优化目标，对给定微小区域进行外形优化；在此基础上，将得到的最优结构的三角形单元体组装成新的矩形构形体，进行同样的构形优化；持续类似工作直至覆盖整个控制体，得到了完整的解析解；由数值计算分析了相关参数对熵产生的影响；与相关文献中以矩形单元体为基础进行构形优化得到的结果进行了比较分析.

关键词：构形理论；多孔介质；气-固反应；传热传质；熵产生最小化

来源出版物：中国科学（E辑）， 2008， 38（5）： 764-772入选年份：2013

基于（火积）耗散率最小的离散和连续变截面导热通道构形优化

魏曙寰，陈林根，孙丰瑞

摘要：应用基于离散变截面导热通道的煅耗散率最小构形方法，对变截面导热通道单元体进行了构形优化，并与基于定截面导热通道单元体所得优化结果相比较.结果显示：基于变截面导热通道单元体所得平均温差最小值随构形级数的增加而增加并趋近于定值，而基于定截面导热通道单元体所得平均温差最小值随构形级数的增加而减小并趋近于定值.两者的差异是由于第一级构形体的无量纲平均温差不同造成的.提出了普适的提高结构体传热能力的自相似构形优化方法及准则：将无量纲平均温差为 α，长宽比（H/L）为β的矩形单元4个组合，热流节点间导热通道截面面积比为2：1，连续组合两次，得到（H/L）为β的下级构形体.若α＜（4+4β+β～2）/9β，平均温差随着构形级数的增加而增加并逐步趋于定值；若 α=（4+4β+β～2）/9β，各级构形体平均温差相同；若α＞（4+4β+β～2）/9β，平均温差随着构形级数的增加而减小并逐步趋于定值.应用基于煅耗散率最小的自相似构形优化方法，多级构造后构形体的平均温差趋近于定值.

关键词：构形理论；（火积）；（火积）耗散率；“体-点”导热；广义热力学优化

来源出版物：中国科学（E辑）， 2010， 40（10）： 1189-1200入选年份：2013