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
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 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
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！
