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主辦單位: 共青團中央   中國科協   教育部   中國社會科學院   全國學聯  

承辦單位: 貴州大學     

基本信息

項目名稱:
逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量系統
小類:
信息技術
簡介:
??載體姿態(tài)測量是航空、航天、航海和陸地導航中的關鍵技術之一。該作品設計了一種導航衛(wèi)星載體姿態(tài)測量系統:①提出了一種“逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量方法”,可實現性好,測姿精度高,動態(tài)性能好;②采用三天線測量載體三維姿態(tài),比傳統的四天線測量系統成本更低;③實現了超短基線(20厘米)姿態(tài)測量,應用領域更廣。該作品不僅有助于打破“雙十八”限制,而且隨著我國“北斗”導航衛(wèi)星系統的完善,算法可以移植到北斗平臺,發(fā)揮更大的國防軍事和民用導航作用!
詳細介紹:
??載體姿態(tài)測量是指利用導航衛(wèi)星技術測定載體(航天器、飛機、船舶等)的姿態(tài)(航向角、俯仰角和橫滾角),它是航空、航天、航海以及陸地導航中的關鍵技術之一,已成為導航信息處理的重要研究分支。載體姿態(tài)測量的基本思路是在載體平臺上適當配置二個以上非共線的衛(wèi)星天線,利用載波相位差分測量技術,即利用多個天線接收的載波相位差、測距碼和導航電文信息,通過一定的算法實時解算天線之間確定的基線向量,從而得到載體的姿態(tài)信息。 ??本作品設計了一種導航衛(wèi)星載體姿態(tài)測量系統。在充分調研國內外理論方法成果的基礎上,提出了一種“逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量方法”。采用粒子群算法搜索得到基線的初始姿態(tài)角,并由此求解出雙差整周模糊度N,此后再基于N實時計算基線姿態(tài)。該方法避開了直接求解整周模糊度,可實現性好,同時基于整周模糊度的姿態(tài)計算又可以保證測姿的穩(wěn)定性。實驗結果表明該方法不僅具有很高的測姿精度,而且具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能,適用于動態(tài)載體姿態(tài)測量。 ??該系統采用三天線測量載體三維姿態(tài),比傳統的四天線測量方法成本更低;并且,實現了超短基線(20厘米)姿態(tài)測量,使系統的應用領域更廣。 ??本作品不僅在國防、軍事領域有著廣泛的應用,而且可以向民用推廣,如設計制造“大跨度橋梁姿態(tài)安全監(jiān)測系統”,從而開拓巨大的民用市場。隨著我國導航技術的發(fā)展,“北斗”系統的完善,本作品必將發(fā)揮更大的國防軍事和民用導航作用!

作品圖片

  • 逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量系統
  • 逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量系統
  • 逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量系統
  • 逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量系統
  • 逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量系統

作品專業(yè)信息

設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標

設計發(fā)明的目的: ??載體姿態(tài)測量是航空、航天、航海以及陸地導航的關鍵技術之一。該作品設計一種新型的導航衛(wèi)星載體姿態(tài)測量系統,可以高精度、實時地測定載體的姿態(tài)(航向角、俯仰角、橫滾角),進而用于飛機、艦船的姿態(tài)控制,坦克、火炮和導彈的指向瞄準,以及雷達天線的對準等。該作品有助于打破“雙十八”限制,發(fā)揮重要的國防軍事和民用導航作用! 基本思路: ??在載體平臺上配置三個非共線的衛(wèi)星天線,利用載波相位差分測量技術,即利用多個天線接收的載波相位差、測距碼和導航電文信息,通過自主提出的“逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量方法”實時解算天線之間確定的基線向量,從而得到載體的姿態(tài)信息。 創(chuàng)新點: ??1)提出了一種“逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量方法”,可實現性好,測姿精度高,動態(tài)性能好; ??2)三天線測量載體三維姿態(tài),比傳統的四天線方法成本更低; ??3)實現了超短基線(20厘米)姿態(tài)測量,應用領域更廣。 技術關鍵: ??1)粒子群算法快速搜索基線初始姿態(tài)角; ??2)逆向求解雙差整周模糊度; ??3)時效性優(yōu)化的衛(wèi)星選擇算法; ??4)三天線測姿中的數據共享。 主要技術指標: ??1)基線1m:航向角精度0.3度、俯仰/橫滾角精度0.5度; ??2)基線3m:航向角精度0.1度、俯仰/橫滾角精度0.2度; ??3)計算輸出頻率:20Hz;(4)基線≥20cm。

科學性、先進性

??目前,在基于載波相位差的載體姿態(tài)測量中,相位雙差整周模糊度的求解是重點和難點,因此快速準確地解算整周模糊度成為了姿態(tài)測量研究的焦點。解算整周模糊度的方法主要有AFM、LSS、FARA、FASF、LAMBDA。由于整周模糊度的求解復雜,實時性差,因此限制了它在姿態(tài)測量中的應用。 ??國內學者許江寧等基于AFM方法,提出了一種避開整周模糊度的求解而直接解算姿態(tài)角的遺傳算法,該方法提高了姿態(tài)角解算的速度,解決了GPS姿態(tài)測量中的實時性問題,但由于是采用進化搜索算法,因此不能保證對全局最優(yōu)解的求解,特別是在載體運動的情況下算法搜索的成功率不夠理想。 ??本作品結合上述兩類方法的優(yōu)點,提出了一種逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量方法,不僅避開了直接求解整周模糊度,而且可以保證姿態(tài)解算的效率和穩(wěn)定性,具有突出的實質性技術特點和顯著進步。 ??參考文獻見論文部分。

獲獎情況及鑒定結果

發(fā)表論文: [1]《逆向求解整周模糊度的姿態(tài)測量方法》,電子測量與儀器學報錄用,將于2009年8月,即第23卷第8期刊登。(學生第一作者) [2]《GPS導航定位中時效性優(yōu)化的衛(wèi)星選擇算法》,全國第20屆計算機技術與應用學術會議論文集,中國科學技術大學出版社,2009,1066-1070。(學生第一作者) [3]《蟻群算法在導航衛(wèi)星載體姿態(tài)測量中的應用》,全國第20屆計算機技術與應用學術會議論文集,中國科學技術大學出版社,2009,720-724。(學生第二作者) 獲獎: 某?!澳衬潮贝髮W生課外學術科技作品競賽特等獎

作品所處階段

??中試階段

技術轉讓方式

??技術入股

作品可展示的形式

??實物、產品,現場演示,錄像

使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

使用說明: ??作品為一套高性能導航衛(wèi)星載體姿態(tài)測量系統。天線將接收到的衛(wèi)星載波信號通過電纜分別送接收機,后者將信號中的載波相位等信息送計算機,計算機運行姿態(tài)解算程序,給出基線姿態(tài)角。 技術特點和優(yōu)勢: ??1)逆向求解整周模糊度的載體姿態(tài)測量方法,可實現性好,測姿精度高,動態(tài)性能好; ??2)時效性優(yōu)化的衛(wèi)星選擇算法,進一步保證測姿精度; ??3)三天線測量載體三維姿態(tài),比傳統的四天線方法成本更低; ??4)實現了超短基線(20厘米)姿態(tài)測量,應用領域更廣。 適應范圍及推廣前景: ??該作品可用于飛機和艦船的姿態(tài)控制,坦克、火炮和導彈的指向瞄準,雷達天線的對準等,同時可以向民用推廣,如設計制造“大跨度橋梁姿態(tài)安全監(jiān)測系統”,因而具有廣闊的民用市場前景。 市場分析和經濟效益預測: ??以“大跨度橋梁姿態(tài)安全監(jiān)測系統”為例,中國大跨度橋梁約15萬座,按“一橋一套”計算,市場容量巨大。每套定價一般為十幾萬到幾十萬,技術成熟后每年可推廣50套左右,經濟效益顯著。

同類課題研究水平概述

1、產品現狀: ??利用導航衛(wèi)星測定載體姿態(tài)是上世紀80年代末的成果,它為導航衛(wèi)星的應用又開辟了一個嶄新的領域。90年代之后,世界上許多知名的公司都推出了自己的測姿產品,如Astech公司的3DF姿態(tài)/航向測定系統和Trimble公司推出的TANS Vector姿態(tài)/位置測量系統。目前,THALES公司推出的ADU5測姿儀在精度和實時性等方面達到了很高的水平: ??1米基線:航向角精度0.4度,俯仰/橫滾角精度0.8度; ??3米基線:航向角精度0.06度,俯仰/橫滾角精度0.12度。 ??雖然國外已有比較成熟的產品,但在對我國出口的產品中,都人為地加入了限制,設備只能用于高度18288米以下和速度不大于1854千米/小時,即“雙十八”限制,且價格昂貴,這大大限制了我國在航空和軍事領域的應用。 ??我國對導航衛(wèi)星載體姿態(tài)測量技術的研究起步較晚,還沒有形成成熟的產品,但研究工作非?;钴S,多所高校和研究所都取得了一定的研究成果。但與國外產品相比,在測姿的性能上存在著一定的差距。 2、理論方法研究現狀: ??目前,在基于載波相位差的載體姿態(tài)測量中,快速準確地解算整周模糊度是姿態(tài)測量研究的焦點。解算整周模糊度的方法主要有AFM、LSS、FARA、FASF、LAMBDA等方法。由于整周模糊度的求解復雜,實時性差,因此限制了它在姿態(tài)測量中的應用。 ??國內學者許江寧等基于AFM方法,提出了一種解算姿態(tài)角的遺傳算法,該方法在一定程度上提高了姿態(tài)測量的實時性,但由于是采用進化搜索算法,因此不能保證對全局最優(yōu)解的求解,特別是在載體運動的情況下算法搜索的成功率不夠理想。 ??本作品結合上述兩類方法的優(yōu)點,提出了一種逆向求解整周模糊度的導航衛(wèi)星載體姿態(tài)測量新方法,避開了直接求解整周模糊度,可實現性好,而且測姿精度高,動態(tài)性能好。 ??基于上述方法,設計了導航衛(wèi)星載體姿態(tài)測量系統,其技術指標如下: ??基線1m:航向角精度0.3度、俯仰角精度0.5度; ??基線3m:航向角精度0.1度、俯仰角精度0.2度; ??數據輸出頻率:20Hz;基線≥20cm。 ??可見,與國內外同類課題相比,該系統具有突出的實質性技術特點和顯著進步!
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