自主导航（共10篇）
自主导航 篇1
“自学导航”是教师结合教学内容、教学目标以及教学重难点而有针对性地设计出的引导学生自主学习的文案，它对学生自主学习具有方法指引、目标导航、兴趣激发的作用。目前，用“自学导航”来辅助教学，在许多老师的课堂上已经运用得越来越普遍。
对于学生的自主学习，就某一具体对象而言，学习目标具有多维性，探究方向具有多向性，研究内容具有多选择性，教师如果完全放手，则可能导致学生迷失方向，把握不住所谓的教学目标。“自学导航”的核心价值就在于引导。具体来说，教师设计和运用“自学导航”的目标就是着眼于学习方法的指引，学习内容的引领，学习目标的提示。
“自学导航”的设计，要遵循学生的学习特点，符合学生的认知规律，既要有可行的方法引领，又要有明确的内容及做法要求，要格外重视以下几个元素。
1.要有目标
首先要告诉学生，本次学习要达成的目标，让学生自主学习有方向、有目标，从而可以达到自我检验学习效果的目的。
2.要富有乐趣
如果你设计的“自学导航”内容不新颖，学生不想读，不愿看，或者让学生感觉比做一张试卷的负担还要沉重，“自学导航”自然也就没有意义了。理想的自学导航，应该让学生爱不释手，忍不住想看。所以，设计“自学导航”时，必须在趣味性上下工夫。
如可以添加与学习内容相关的一些有趣性味的图片，以及一些能吸引孩子们注意力的漫画、卡通画等。可以呈现一些有趣文本内容，载入一些小故事、小资料、小谜语等贴近儿童的语言及儿童生活兴趣的内容。在问题的设计上，还可以采用有趣的形式，如辩论式、讨论式、内容链接式、资料导引式等，让学生乐于接受。
3.要促自主
要求明确，是着眼于方法的指引；内容有趣，是着眼于兴趣的激发，“自学导航”的根本目标就在于使学生产生自主学习的动力，自主、快乐地进入学习状态。
下面以《我不是最弱小的》一课的“自学导航”设计为例（省略图片与装饰），介绍“自学导航”设计的思路。
一、学生字
读：对照拼音，读生字，画出它在文中的组词，再读一读。
写：一笔一画，生字描红。
查：通过查工具书，我知道了以下几个词语的意思。
____________________________________________
二、读课文
1.朗读课文（注意标点提示的语气语调），读不顺的地方再读一读。
2.读完课文你有什么疑问，写下来。
___________________________________________
三、品一品
1.“每个人都要保护比自己弱小的人。”
2.“现在我不是最弱小的了吧，妈妈。”
知道这两句话是谁说的吗？你同意他们的说法吗？
__________________________________________________
以上这则“自学导航”的设计，从内容方面看，它具体明确地向学生提出了要求，即自主学习时，学生该去做些什么，贯穿了读、写、查、疑、议的具体要求。不仅如此，更重要的是它还明确地告诉学生该怎么去做，如“对照拼音读，画出词语读”“一笔一画，生字描红”“读课文，读不顺的地方再一读”“写下你的疑问”等，使其知道完成任务的方法。最后，学生自主学习的目标也是具体的，即会读生字词，弄清词语的意思，读顺课文，思考问题答案。学生在这样经常性的训练中，便会逐渐形成独立、自主学习的习惯。
那么如何将“自学导航”运用于辅助课堂教学呢？
一般是上课前一天，教师将设计印制好的“自学导航”发给学生，让学生按要求自主学习；课堂上，师生根据导航展开交流、探讨；课后进一步拓展和完善。
下面试以“自学导航”在“海底世界”一文的教学中的运用为例，介绍其在课堂教学中的基本运用。
（一）交流自学体验
1.海底世界有趣吗？请你用几句话说一说（读了必然有体验，首先汇报交流各自的学习体验）。
2.出示生字词（红色标出生字），你学会了哪些，给大家读出来（学了会有成果，汇报自学成果，既是检验，又是学习巩固）。
3.露一手：通过查资料，你还知道哪些关于海底的知识？（个性化的展示，既是对学习内容的丰富，又是对学生学习方法的引领，也是对信心的激发。）
4.你在读课文时产生了哪些疑问？生生间互动交流解决（问题的互助解决，也为核心问题的筛选提供了条件）。
（二）小组合作探究
1.筛选问题：刚才听了大家的学习交流，我觉得海底真是个景色奇异、物产丰富的世界。（课前查看学生完成的“自学导航”，已经有了思考应对准备，做到了心中有数。教师根据本节课的教学重点，筛选出这个问题，引导学生进行深入探讨。筛选问题，老师可以灵活处理，既可以承接学生的问题，也可以引导学生提出问题，还可以概括学生的问题。这里，“景色奇异、物产丰富”是要探究的核心问题，如果学生说不出来，老师可加以引导。）
2.合作探究：你从课文的哪些地方看出了景色奇异、物产丰富？（学生充分讨论，组长对本小组成员分工协作，老师参与小组讨论并观察、了解探究情况。）
3.汇报交流：探究是以小组为组织形式的，根据各组汇报的内容，老师可以帮助学生理解，破重解难，把说、读、写结合起来。
(1）根据学生回答，PPT出示第二小节：“窃窃私语”是什么意思？
你想他们可能在说什么呢？（有的……有的……有的……）
可以换成别的词吗？（体会用词的生动性）
(2）哪个小组能把有趣读出来？（通过多读体验）（3）还从哪里能读出景色奇异、物产丰富？
学生汇报，教师相机PPT出示第三小节。
小组互相补充，师生互动。（小组合作变成大组合作）你能把这种“奇异”读出来吗？
你们读，他们读，我来读、小组齐读。（通过多读，感受领悟）
(4）观看海底专题视频，加深体验。
（三）小结、拓展
1.这节课，你学到了哪些知识？（提示：字词、海底特点等）
2.课堂上画一画本课所学——思维导图。
3.推荐读物《海底两万里》。
学生根据“自学导航”完成相关任务，老师一定要对其有个恰当评价，以激发学生持续学习的动力。
老师的评价要有针对性，要有启发性和激励性，要有利于促进学生更有自信地完成自主学习的各项任务。
1.抓亮点：抓住学生在运用“自学导航”时所生成的亮点。如学生学习体会的独特性，学生提出了有深度的问题，学生搜集了比别人丰富的资料……
2.看“思”“想”。学生在自主学习时，对问题的思考、探究的多角度性、完整性、深度性、精辟性。提出一个有价值的问题，必是经过深入思考的结果，教师应给予充分肯定和褒奖。
3.评合作。这主要看交流之后，学生对学习体验有无丰富和完善。一张小小的思维导图，画出的却是学生学习的成果，它是对自主学习、交流探讨之后所获知识的总结和梳理。一定意义上说，这是师生及生生合作的成果，对这一成果的丰富性和完整性，老师必须给予足够关注，及时给出恰当的评价。
“自学导航”明确提出了自主学习的要求，让学生预先介入学习过程，解决基本问题，并提出自己的疑难问题，然后带着问题进课堂。学生在前置学习时，不仅积累了学习的初步经验，而且可以通过查阅资料和网络搜索等途径获取更多资源，形成对新知的心理储备，把学和教有机结合起来，同时，内容设计的趣味性，又能够激发学生的学习兴趣，调动其学习的积极性。在教学过程中，如果能够恰当运用，对学生展开自主学习，定能起到很好的辅助作用。
自主导航 篇2
深空自主导航系统的可观性分析
研究了深空自主导航系统的可观性分析.建立了自主导航系统的观测模型,并提出了一种基于位置确定分析和可观性秩条件的导航系统可观性分析方法;该方法克服了直接利用多个导航目标的视线方向、视线角、夹角和图像信息等非线性观测量进行导航系统可观性分析的.困难.针对观测矩阵的秩无法通过表达式直接确定的问题,给出了基于观测矩阵奇异值分解的导航系统可观性分析方法,并用来分析了几种观测模式对应的导航系统的可观性和轨道参数可观度.可以为在不同轨道段组合不同的敏感器提高轨道的估计精度提供参考.
作 者：黄翔宇 崔平远 崔祜涛 HUANG Xiang-yu CUI Ping-yuan CUI Hu-tao 作者单位：黄翔宇,HUANG Xiang-yu(北京控制工程研究所北京2729信箱20分箱,北京,100080)崔平远,崔祜涛,CUI Ping-yuan,CUI Hu-tao(哈尔滨工业大学137信箱,哈尔滨,150001)
刊 名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS 年，卷(期)： 27(3) 分类号：V448.224 关键词：自主导航 观测模型 非线性系统 可观性分析自主导航 篇3
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2015）07A-
0021-02
自主学习是指以学生作为学习的主体，通过学生独立地分析、探索、实践、质疑、创造等实现教学目标的学习方式。自主学习能力是学生在学习活动中表现出来的一种综合能力。有了一定的自主学习能力的学生就不再是被动接受知识的机器，而是用科学的方法主动探求知识、敢于质疑问难、个性充分发展的学习的主人。如何培养学生的自主学习能力呢？这需要教师经常启发、点拨和引导学生，长期地、有计划地对学生进行培养。2011版的《全日制义务教育语文课程标准》提出：积极倡导自主、合作、探究的学习方式。根据这个理念，我校编写了校本教材《南宁市滨湖路小学“小绅士”“小淑女”学习好习惯——学习导航》（以下简称《学习导航》），分别从“轻松温习”“快乐预习”“质疑交流”“积累运用”“分享收获”五大板块对学生进行导学。通过三年的实践研究，我们发现《学习导航》不仅培养了学生的学习好习惯，还增强了学生自主学习的意识，使他们逐渐成为主动的求知者、探索者。
一、轻松温习，培养学生对学习结果的自我检测能力
为了帮助学生养成先复习旧知再学习新知的好习惯，逐步增强对学习结果的自我检测能力，《学习导航》每课的第一板块都为“轻松温习”，这一板块设计如下：
通过让学生“把学过的内容读一读，背一背”，从而落实每篇课文课后第一题朗读（或背诵）课文的学习要求。“说一说”开放性强，学生可以说课文内容，可以说学习收获、学习启示等。“写一写”部分，中年级的学生可以抄写学过的字词，也可以由父母帮助听写字词，以达到复习巩固的目的；对于高年级的学生来说，我们鼓励他们自己默写词语，这既能检查对所学词语的掌握情况，也能达到日积月累的目的。
二、快乐预习，培养学生主动探索新知识的能力
预习是一种自主、探究的学习。预习不仅可以使学生获得知识信息，也可以培养学生的自学能力，养成良好的学习习惯。
在“快乐预习”这一板块中，我们设计了“朗读课文”“自学字词”“积累佳句”“把握内容”四个部分，通过引导学生“读—查（记）—划（读）—说”，引发他们对即将学习内容的关注和思考，培养学生主动探索新知识的能力，使学生养成预习的好习惯。
（一）“朗读课文”。这个部分旨在引导学生多读课文，在读通的基础上，了解课文共有几个自然段，这是预习课文的第一步。
（二）“自学字词”。这个环节的设计是为了进一步提高学生主动识字的兴趣，增强学生独立识字的能力。“会利用字词典理解难懂的词语并记录下来”这一要求包含着两种学习方法指导，一是提示学生在预习过程中遇到难懂的词语查阅字词典，二是引导学生将难词记录下来，加深对生词的理解和记忆。
（三）“积累佳句”。这个环节的设计不仅关注到了“不动笔墨不读书”学习好习惯的持续培养，还让学生在预习时关注课文中含义深刻的句子，并先进行独立的思考。
（四）“把握内容”。语文新课标第二学段提出：“能初步把握文章的主要内容，体会文章表达的思想感情。”这个部分通过想一想、说一说的方式，逐步提高学生分析、概括的语文能力。
学生在探索新知识的过程中，难免会遇到各种各样的问题，但学生只要积极主动地去克服困难，就会逐渐培养良好的学习品质。
三、质疑交流，培养学生提问和探究的能力
离开思考的学习只是知识的机械化积累，唯有带着思考的学习才有提高和创新的可能。思考源于质疑，《学习导航》中的“质疑交流”板块要求学生在预习时将产生的疑问记录下来，课堂上带着问题与老师、同学展开讨论和探究，从而解决心中的疑问。我们看看这些例子：
（一）围绕含义深刻的词、句进行质疑：
经过长期的训练，我们可喜地发现不少学生已经学会了有效提问，能抓住课文的核心部分，从不同的侧面提出许多有价值的问题，并能在课堂上讨论交流后解答疑惑，探究能力逐步得到了发展。
四、积累运用，培养学生整合和运用知识的能力
语文课程标准指出：“语文课程应注重引导学生多读书、多积累，重视语言文字运用的实践，在实践中领悟文化内涵和语文应用规律。”
“课文就是最好的例子。”语文教材中的每篇课文不论是遣词，还是造句都是范例，都有可学之处。小学阶段，语文的积累主要通过熟读、背诵等方式累积语言，积淀语感经验，将课文里的规范语言不断内化为自己的语言。语文的运用则是把学得、习得的知识，通过说和写的方式表达出来，把知识转化为能力。积累和运用都是语文实践的两种方式。《学习导航》中的“积累运用”板块就是引导学生把所得积累，按照习得的方法进行实践运用，从而实现语文教学“得言”“得法”。
如学完《自然之道》一文后，学生学会了使用连动词写一段话：
五、分享收获，培养学生对学习结果的反思能力
对学习结果的反思是学生对整个学习过程的再思考。引导学生记录和分享自己在学习过程中好的学习方法、感悟和体会，是培养学生反思能力的一种积极的方式。《学习导航》中“分享收获”板块的设计突出了开放性、多元性。结束课堂学习之前，教师可结合所教课文的特点，引导学生记录和分享学习收获，获得学习的成功感。学生们在这一板块的分享是多角度的：
1.学了《圆明园的毁灭》，分享阅读心得：
2.学了《冬阳·童年·骆驼队》后，分享写作方法：
3.学了《落花生》后，用“借物喻人”的方法赞美身边的人和物：
4.学了《自然之道》后，学生分享阅读启迪：
在今后的教学中，我们将不断完善《学习导航》这本校本教材，坚持以“学生为主”“自学为主”的原则，信任学生，大胆放手，让每名学生都参与到学习中，使他们成为会思、善思，爱学、会学的学习的主人。
智能车自主导航系统设计 篇4
关键词：智能汽车,自主导航,单片机,自主转弯,过障碍
智能小车是一结合了很多学科的综合的制作, 它包括了虚拟智能、机械设计、高等数学、信号处理、传感器技术、电路设计、C语言、单片机、自动控制原理等学科。本设计采用摄像头作为采集信号的模块, 微处理器接收处理信号, 并把这个处理过的信号作为小车导航的依据, 来控制小车转弯、前进、停止、加速等, 从而实现小车在环境较简单的情况下的自主导航。
1 方案论证
1.1 加固车模底盘, 使之成为刚体, 可以有效减少小车在行驶时产生的震动以及震动对摄像头的影响。
1.2 小车在转弯, 过障碍时容易发生侧翻, 可以适当降低小车底盘, 增加其可控性, 防止侧翻发生。
1.3测试赛道比较平坦, 光滑, 小车在直的长赛道上行驶时, 易冲出赛道, 可以在车轮上套上防滑套, 来减少因速度快造成的轮胎磨损, 增加轮胎的抓地性能, 从而提高小车的操控性, 同时使马力能更好的传到地面驱动小车加速。
1.4电机驱动模块是智能小车重要的模块之一, 需要性能稳定、可靠性高、散热性好等特点, 所以采用BTN7971芯片作为电机驱动芯片。并且该芯片具有自我保护能力, 抗电子干扰能力强, 且对环境的适应能力较强, 加速过程快等优点[1]。
1.5智能车系统采用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池进行供电, 但各个模块所需要的电压不同, 因此需要进行电压调节。7.2V直接为BTN7971供电, 使用LM7806 (6V) 将7.2V稳压成6V后给舵机供电, 用LM2940 (5V) 分别为单片机、摄像头编码器供电。
1.6智能车的转向控制是关键的技术之一, 转向性能的好坏和转向控制的适当与否对智能小车的速度及稳定性有很大的影响。舵机本身是一个随动系统, 影响舵机控制性能的一个重要参数是舵机的响应速度, 而舵机的响应速度直接影响智能车通过弯道的最高速度, 适当地提高舵机的工作电压可以提高舵机的响应速度, 把舵机改装在两个转向轮中间, 以此来减小响应时间, 根据杠杆原理加长力臂, 来增加舵机的扭转能力, 提高了小车的转向控制速度[2]。
1.7摄像头是路径检测器件, 是智能小车系统的信号输入模块, 主要检测的是赛道相对于智能小车的偏移量、方向、曲率等信息, 这些信息是小车自主沿赛道运行的信息基础, 获得更多、更远、更精确的赛道信息是提高车模运行速度的关键。所以说路径识别系统的好坏, 直接关系到最终性能的优劣。使用摄像头检测方式的最大优点是:检测的前瞻范围比较宽, 可以比较快地检测到转弯等路面信息, 以便提早做出转弯、刹车等操作, 有利于速度的提高[3]。但是摄像头的选取必须慎重, 既要保证图像质量好, 满足后续处理和赛道识别的要求, 目前是市场上主要有两种摄像头, CCD模拟摄像头和CMOS数字摄像头, CCD模拟摄像头的优点是灵敏度高, 即使高速运行也可以获得清晰的图像, 但是缺点是成本高、功耗大、重量大、需要12V供电。CMOS数字摄像头的优点是体积小、重量轻、功耗低, 5V即可正常工作, 内部集成了A/D转换电路, 直接输出数字信号, 因此使用非常方便, 电路要求简单, 价格便宜。单片机的I/O口可以直接接受的是数字信号, 模拟信号要经过处理成数字信号后单片机才能使用, 所以想要使用CCD模拟摄像头需要自己搭建整理模拟信号的电路, 这加大了制作智能车的难度, 但是用CMOS数字摄像头在小车高速运行时, 动态性能较差, 容易出现图像模糊。基于XS128单片机的处理能力, 摄像头不是分辨率越高越好, 综合考虑之后选择CMOS数字摄像头。
在摄像头的安装上, 选择了四个自由度的安装, 可以更加灵活地对摄像头的角度进行调整。
摄像头除了高度和选型之外, 位置也很重要。后置主要问题是转弯时过程滞后, 而前置的主要问题是由于车身抖动, 造成成像模糊, 综合考虑之后, 把摄像头放在中间靠前的位置, 既可以减少震动造成的影响, 又可以解决转弯滞后问题。
摄像头支架选用碳纤维管, 具有质地轻, 刚性大, 直径小, 坚固等优点。支架底部采用上下双重固定方法, 这样固定不仅牢固, 更减轻了电机转动带来的震动干扰。
1.8在智能小车的设计中, 有一个模块必不可少就是光电编码器, 光电编码器通过计算单位时间内编码输出的脉冲来计算出小车的速度, 这样把这个速度反馈给主处理器, 主处理器就对小车的实时速度有了检测, 这样更有利于控制小车速度。
2 软件部分
系统由中断采集程序对摄像头传回的图像进行采集, 然后单片机对传回来的图像进行处理、判断、计算得到控制参数, 再用控制参数去控制舵机和电机, 来实现转弯、加速、减速、停止等功能。
小车在行驶过程中分为直道、弯道、交叉口等, 由于摄像头传回的数据很大, 而且传输的很快, 单片机在有限的频率下无法采集所有数据, 因此只能有选择的选取图像。得到一场视频信号后, 单片机从中提取黑线, 并通过限幅滤波算法判断黑线的偏差值。不同的路况摄像头所采集的图像的有效行数和偏差值是不同的, 在过弯道时, 有效值会减小, 偏差值会增大, 这样就可以利用有效行和偏差值来控制小车的速度和方向。
3 测试与结果
小车的机械结构对小车整体性能影响很大, 需反复调试小车的机械结构才能找到合适的解决方案, 小车在直道上行驶时, 小车加速明显, 当摄像头检测到前方有弯道时, 小车立即减速, 然后通过弯道。切换小车速度, 提高PWM占空比, 小车行驶时可以明显看见小车提速, 再接近弯道时小车减速, 然后顺利通过弯道。
参考文献
[1]O'Reilly.爱上制作 (第二期) [M].人民邮电出版社, 2011.
[2]摄像头组-安徽工业大学-D-I队技术报告[R].
自主导航 篇5
星座自主导航可视化仿真与分析系统的研制
近年来,星座自主导航技术在卫星自主导航领域越来越引起人们的`关注.为更好地研究星座自主导航方法,本文从数据分析、视景仿真和导航解算三个方面论述了星座自主导航视景仿真系统的实现过程.该仿真系统采用ADO技术.OpenGL技术和MATCOM软件来分别实现数据分析模块、视景仿真模块和星座自主导航解算.实验结果表明,软件最终达到了集数据分析、视景仿真和导航解算于一体的仿真效果.
作 者：曹辉 熊智 郁丰 王丹 CAO Hui XIONG Zhi YU Feng WANG Dan 作者单位：南京航空航天大学导航研究中心,南京,210016刊 名：航空电子技术英文刊名：AVIONICS TECHNOLOGY年，卷(期)：39(2)分类号：V249.32关键词：星座自主导航 可视化 仿真系统
深空探测自主导航技术的应用研究 篇6
深空探测技术是新世纪研究的特点问题,这不仅是帮助人们了解宇宙与太阳系的重要途径,也是发展空间科学的必由之路。深空探测飞行时间长、飞行距离远,无法满足高精度的探测需求,为了解决这一问题,需要对这一技术展开深层次的研究。
1 深空探测以及深空探测自主导航控制技术
自古以来,人们从未放弃过探索星空的想法。而深空探测就是人类探测深空天体、认识星空的重要方式,也是研究空间科学的基础。深空探测器的飞行距离远,依靠地面测控的方式操控会受到很多的限制,造成许多特殊任务无法完成。因此深空探测自主导航与控制技术的出现就成为了最为关键的核心技术,深空探测自主导航与控制技术能够在失去地面通信的情况下继续完成轨道确定和控制、姿态定向及目标跟踪等任务,极大地增强了探测器的生存能力。并且以地面测控的方式遥控探测器将会占用大量测控资源,而自主导航与控制技术则能够减少地面测控的负担,节约成本。
2 深空探测航天器自主导航与控制技术的研究现状
随着深空探测任务的进行,国外的深空探测器的控制技术已经经历了遥测遥控(地面控制)、半自主控制和自主控制3个阶段的发展.虽然自主导航技术能够减轻地面的负担、降低成本,十分适合深空探测,但是由于自主导航技术对于设备和计算机的要求较高,因此最初的深空探测任务的飞行器仍旧使用遥测遥控的方式。随着科技的发展,设备和计算机以及其他原件都进行了优化,其体积也越来越微型,使得深空探测航天器自主导航与控制技术逐渐获得了重视,当前国外已经能够将这项技术应用到实际的特殊探测任务当中,并且成为主要的控制方式。
3 深空探测自主导航与控制技术的发展趋势
(1)随着科技的发展,计算机和相应敏感原件的性能都在不断地优化,大部分执行深空探测任务的飞行器都能够进行部分自主导航控制,并且在逐渐完善。(2)在载人深空探测任务当中,自主导航和控制技术的应用将会为人类的安全保驾护航。(3)目前的深空探测自主导航和控制技术与地面测控技术共同组成了深空探测器的控制方式。(4)目前的深空探测自主导航技术是在通过光学导航敏感器获取目标天体的位置或信息的情况下完成的。总而言之,大部分深空探测航天器都能够完成部分自主导航与控制,但是深空探测自主导航与控制技术的发展是相对独立的,因此,还需要进一步的研究才可能实现完全自主导航和控制。这在一定程度上证明了深空探测完全自主导航与控制的技术难度,并且深空探测完全自主导航的多关键技术都具有较大的研究潜力。
4 深空探测航天器自主导航与控制的关键技术
4.1 光学导航敏感器技术
光学导航敏感器是深空探测自主导航和控制技术最重要的光学部件,深空探测自主导航系统对于光学敏感部件的精度和灵敏度较高、体积小,因此对于光学敏感器的光学、结构、机构、热控和杂光消除等有着严格的标准。对于这些关键性技术的改进将会推动深空光学敏感器研发工作。
4.2 深空导航信息的获取与处理技术
实现自主导航的基础是能够准确获得导航测量信息。想要提高自主导航系统的性能必须要获得高质量的测量信息,因此光学图像导航将成为自主导航的发展趋势,这一过程的实现必须要有高效的图像处理算法,只有这样才能获得精确的导航信息,提高导航性能。
4.3 导航滤波技术
自主导航滤波技术是深空自主导航算法的核心.由于深空环境下有着许多不确定因素,因此在自主导航过程中需要考虑这些因素对于算法的影响。
4.4 自主导航技术
深空探测飞行器从地球到目标天体之间,距离遥远,飞行时间长,期间会遇到许多不同的飞行环境,这些都需要不同的导航方式进行控制,因此需要根据不同的任务类型,研究深空探测飞行器自主导航的方法。
4.5 轨道控制技术
在开展深空探测任务时,需要实施轨道控制、姿态定向等操作,深空探测航天器处于特殊的工作环境中,对于操作自主性也有着严格的要求,这给深空探测航天器的工作提出了更为严高的要求。因此,在下一阶段下,还需要针对这一技术展开深入的研究。
5 结语
国外的深空探测航空器已经可以初步应用到实际的飞行过程当中。因为地面遥控的短板较为明显,深空探测自主导航与控制技术能够对于未来无人和载人航天都有着巨大的应用价值,因此我国需要针对这一方面,投入更大的时间和精力,系统地研究深空探测航天器自主导航与控制技术的理论和关键性技术,为深空探测打好基础。
摘要：深空探测任务的成功与否在很大程度上取决于深空探测自主导航与控制技术上的成就。针对我国对于深空探测任务的需求,深度探讨了深空探测自主导航与控制技术的进展情况,详细介绍了深空探测自主导航与控制技术的重要性以及国外的研究趋势,最终提出实质性的建议。
关键词：深空探测,自主导航,控制技术
参考文献
[1]张晓文,王大轶,黄翔宇.利用小行星测量信息的深空探测器自主导航算法研究[J].航天控制,2009(3).
[2]吴双卿,龙华保,张卫华.光学自主导航图像信息测量方法研究[J].上海航天,2013(5).
[3]叶飚,杨博.一种强跟踪非线性衰减滤波的环月自主导航方法研究[J].航天控制,2009(3).
自主导航 篇7
目前, 自主机器人仍需要额外的参照系统, 如激光、雷达三角测量、GPS等, 主要是根据原来的设计环境、磁道、反光带或复杂和昂贵的感官光学或声纳/雷达系统的测绘数据。对于一些工业部门, 特别是那些危险或人迹罕至的环境, 这些系统是不能使用的。
英国纽卡斯尔大学的工程师发明了一种拥有导航识别和定位结构特点的机器人, 能够为一个自主维修的媒介创建可溯源的地标地图。通过结合这些功能定位地标、磁性探测、精确的光学水平以及垂直距离测量, 从而锁定地标, 可以创造一些特别工作环境中的高度精确的2-D指导图, 可反复使用。
该技术已经在欧洲、新加坡和阿拉伯联合酋长国申请专利。
自主导航 篇8
在传统的民用卫星导航应用市场中,国外已经建立了以GPS为核心的成熟导航芯片产品。随着各国自主导航系统的建立与运行,全球卫星导航将从GPS时代向GNSS时代转变[1]。我国也将以“北斗加GPS”技术逐步替代单一的GPS导航。以北斗为主体的导航产业势必带动国内导航芯片产业的兴起。因此,一款能够兼容北斗/GPS/GLONASS/Galileo四种模式的自主研发的卫星导航接收系统的芯片将在军事和民用上具有重大的应用意义[2]。
本文提出的导航射频芯片,是能支持GPS-L1、BD2-B1、Galileo-E1和GLONASS频点卫星信号的双通道、高集成度射频前端芯片[3],可兼容大部分基带处理芯片。同时对于传统射频芯片中针对应用要求较高的一些性能指标涉及的主要电路模块进行优化[4]。本文将着重从影响噪声系数、中频幅频特性、镜像抑制及线性度四个方面的主要功能电路对导航射频芯片的性能进行优化。
1 电路工作原理
导航射频芯片是一次下变频的低中频架构射频前端芯片,采用RF-CMOS深N阱工艺、正向Topdown的设计方法,基于全套Cadence模拟/射频开发工具,集成了低噪放、下变频混频器、复数滤波器、可变增益放大器、频率合成器和4bit ADC[5],各功能模块可单独配置,实现了射频信号到数字中频的处理转换。结构框图如图1所示。
天线接收到的射频信号经过LNA放大后,进入混频器下变频,信号进入PGA电路进行放大,采用复数滤波器对镜像信号进行抑制以及带宽调整。后级采用了VGA电路进一步放大信号,提供较大的增益和较宽的输入动态范围。经过放大的中频信号经ADC量化输出,为基带提供所需的数字AD信号。
2 主要电路分析与设计
2.1 射频前端电路分析
灵敏度是接收机的一个关键技术指标,也是对接收机对弱信号放大、解调能力的衡量。根据接收机的最小灵敏度(MDS)公式:
上式为假定天线的绝对温度为290K,系统带宽为B,解调门限为SNRmin,由所推导的结果,可见较小的噪声系数可以降低系统内部噪声造成的信噪比恶化程度,使接收机获得更优的灵敏度和精度[6]。因此噪声系数成为衡量接收机系统接收处理小信号的一项重要指标。对于影响噪声系数NF起决定性作用的是第一级放大电路LNA,它必须相对于接收机输入端表现为50Ω的负载特性以保证最大功率传输,其噪声特性将直接影响整个系统的噪声性能。
2.1.1 低噪放电路设计
在低噪声设计方面,考虑到低噪放是射频接收机前端的主要组成部分,由于它一般处于整个接收系统的最前端,因此其性能对整个接收机有着重大的影响。通过对系统中噪声系数传递函数的研究,对影响系统中的噪声系数和线性度的最大的关键模块进行性能优化,最大程度地减少关键模块对系统参数的影响。系统的噪声系数计算公式为:
式中,各级子系统的噪声为Fi,可获得功率增益为Gi。根据该公式,多模导航型射频芯片中的低噪放(LNA),处于整个接收系统的最前端,其噪声性能对整个系统的噪声性能有着极大的影响。因此,本部分电路着重从LNA低噪声设计和通道增益分配两方面来综合进行噪声系数优化[7]。
此外,由于LNA位于接收通道的第一级,其阻抗匹配的好坏对整个电路的噪声系数影响也很大,为了达到与源阻抗匹配,需要在源与放大器之间加上适当的匹配网络。为了降低噪声系数,匹配网络采用电容、电感的组合网络来实现LNA电路的输入阻抗匹配。本设计采用源简并电感型共源放大器LNA输入结构,结构框图如图2所示。
由图2所示,ZE为简并阻抗,一般情况下为一电感,电感在晶体管栅极引入一个实部阻抗,提供输入阻抗的实部,Lg与Cgs谐振,使得输入阻抗的虚部为0,实现了典型的50Ω阻抗匹配。同时在LNA和MXR中插入了一个全差分RF_VGA来优化系统噪声性能,并提供增益控制,LNA+RF_VGA的原理如图3所示。
通过合理地选择放大管和Cascode管的宽长比以及匹配网络,可满足在功耗约束的情况下做到最优的噪声匹配和功率匹配[8]。
根据源简并电感型共源放大器结构的LNA+RF_VGA低噪放完整电路如图4所示,该结构可以极大地抑制电路产生的噪声,将噪声降低到2 d B以下,图5和图6为仿真结果。仿真结果显示,在LNA配置为高增益情况下,噪声系数降低到2 d B以下,增益大于21 d B,仿真结果比较理想,满足了对于噪声系数<2.5的设计要求。
2.1.2 应用系统的匹配方案设计
在射频前端芯片内部电路匹配良好的情况下,针对接收机系统级设计时,系统输入布局布线可能会对接收系统输入端口阻抗产生的影响导致的阻抗偏离,本设计在芯片的射频输入端口加入了如图7所示的可配置的匹配网络,可实现不同应用设计环境中的匹配调谐,有效补偿应用设计中PCB布线的引线电感和寄生电容对芯片设计的原始匹配状态的影响以及产品生产电装所产生的寄生效应。
通过矢量网络分析仪对输入端口的阻抗测试数据得出,调谐后的归一化输入阻抗为(49.533-j1.588 1)Ω,结果比较理想,能有效降低系统级的输入端口功率反射,保证了导航信号的完整接收与传输。
2.2 中频滤波器电路设计
对于射频接收处理电路而言,中频滤波非常重要,因为它可以在消除干扰的同时限定噪声带宽,改善灵敏度。
导航型射频芯片采用高集成度的低中频架构,消除了多级带通滤波器、直流失调和1/f噪声的影响。但是在低中频架构的接收机中,射频信号在正交混频之后,会产生具有相同频率特性的中频信号和镜像信号,所以在接收通路中必须有一个镜像抑制滤波器对镜像信号进行抑制滤波。在设计中,选用的五阶切比雪夫复数滤波器,相比于其他类型滤波器,具有功耗低、集成度高等特点,切比雪夫I型滤波器是尤其适合在导航射频应用中对射频通道高达30 d B以上的高镜像抑制比的要求下的滤波器。
2.2.1 复数滤波器设计
由如图8所示的一阶切比雪夫I型Gm-C复数滤波器级联,构成了五阶滤波器电路。每级复数滤波器均是经过交叉耦合的Gmif与-Gmif,并根据以下公式:
将低通滤波器向复数域频移获得,以实现复数滤波。频移后低通滤波器的单实极点变为复数带通滤波器的单复数极点:
并且可推导出一阶Gm-C复数滤波器的传递函数为:
很显然,对于Gm-C复数滤波器,可以通过改变跨导Gm和电容C的值来调节复数滤波器的增益、中心频率和带宽。
由级联搭建的五阶切比雪夫复数滤波器的幅度与频率关系公式为:
其中,其中apass是频率ωpass处对应的衰减。对于Chebyshev-I型复数滤波器,过渡带滚降斜率比Butterworth更大,从滤波器理论来分析,通带以外幅频响应的滚降陡峭程度越高则镜像抑制越好。而切比雪夫型滤波器的幅度波动明显的,滤波器的通带波纹的最大幅度由ε控制,通带波纹的起伏越剧烈则过渡带越窄。通过计算和仿真验证合理地控制|ε|,可使带内波动<1 d B的同时保证带外抑制,即可满足性能要求。
对按照上述设计搭建完成的复数滤波器进行AC仿真,考虑芯片工作时温度升高的因素,设定条件为45℃下的‘TT’工艺角。并由仿真结果可见,当设定中心频率为6.098 MHz时,带宽可设定为4.118 MHz,在±1.5倍带宽处的带外抑制为30.53 d B,在1/2倍带宽内的带内平坦度为0.335 d B。
而通过对接收系统整个通道的带外抑制度实测数据约为28 d B,如图9所示,带内平坦度的实测结果约为0.55 d B,基本接近仿真设计指标,可以完全达到使用需求。
2.2.2 镜像抑制方案设计
利用切比雪夫滤波器可以实现很高的通道镜像抑制比,在上一节设计方案获得较理想的滤波器幅频特性的基础上,在复数滤波器前加入预先校准模块,进一步调谐正交的I和Q路的信号匹配,以获得更高的IMRR。同时,通过在设计时增加裕量,提高环路在理想的情况下将目标指标,充分保证了实际电路获得的高镜像抑制比。加入可编程的预校准模块后的复数滤波器电路仿真结果如图10所示。由此可看出,中频滤波器的综合IMRR在4 MHz带宽的情况下可达到47 d B。
此外,通过外部的SPI电路可以对电路中的电阻、电容器件进行调节,一方面可以降低器件失配等因素对IMMR的影响;另一方面也可以实现复数滤波器的增益及带宽可调,用户可以根据相应的工作频点或具体应用的需求来选择4种不同的带宽配置以优化设计,分别为2.1 MHz、4.2 MHz、13.0 MHz或20.0 MHz,更多的滤波器带宽选择能更好的适应多模导航接收机产品的研发。
2.3 VGA电路设计
当检测弱信号时,接收机的工作范围会因为附近其他的较强干扰信号而进入非线性区,产生新的频段信号,将希望被检测到的信号淹没。因此,线性度也是接收机的一个重要的指标参数,线性度越高抗干扰能力就越强。对于接收机,输入三阶截断点为:
式中,gn为第n级的增益,PIIP3,k为第k级的IIP3。从上式可知,当接收机中每一级的增益均>1时,最后一级的IIP3指标最为重要,因为它占的比重最大,分子(即级联增益)最大。在设计高线性接收机时,系统最后级的线性度尤为重要。在本设计中,采用了5级拓扑结构的可变增益放大器(VGA),通过采用源极负反馈、可变电流偏置及可变负载等方式实现了系统的高线性。
VGA对扩大系统动态范围起到了关键作用,自动增益控制AGC的性能好坏很大程度上取决于VGA,对于高性能VGA,要求其在整个带宽和增益范围内,不仅线性度高[9],同时它的噪声也要很低;而且在增益变化的时候VGA的带宽能维持恒定。VGA单元的每一级内部结构如图11所示。
本级VGA单元是由一级跨导放大器和一级跨阻放大器级联而成。跨阻放大器通过一级带并联反馈电阻(Rf)的电流放大器来实现。该单元的电压增益是跨导放大器的跨导(Gm)和跨阻放大器的跨阻(Rm)的乘积。其中:Rm=-(Rf*Ai-Rin)/1+Ai()。
跨阻由上式给出,Rin是输入电阻,Ai是电流放大器的电流增益。当Ai>>1时,Rm≈-Rf,所以要想获得高线性度的VGA,需要高线性的Gm和高电流增益的电流放大器[10]。这种结构VGA的最大的优势在于通过改变Gm来改变电压增益的同时保持带宽不变(因为Rf保持不变)。
VGA设计的一个重要的指标是VGA的带宽,根据经验公式(其中fc和fu分别是串联VGA和单个VGA的带宽,n是串联的级数)可以得到:如果串联的级数越大,则单个VGA的带宽就越大,这样就增加了设计的难度。而如果级数太少,增益控制部分的设计就很困难。综合以上两点,采用了五级VGA的结构来实现可变增益控制单元。
经过对电路的测试及数据整理,在通道增益控制为在50 d B的情况下,输入P-1约为-37 d Bm,从如图12所示为接收通道设置为BD2 B1接收模式时的OIP3测试数据来看,OIP3也达到了20 d Bm以上,从而保证了较小的三阶互调失真度[11],实现了较强的抗干扰能力。
3 物理版图设计
多模导航型射频芯片结构复杂,属于射频数模混合集成电路。用于调整性能指标参数的数字电路模块、中频模拟电路和射频电路均在芯片内,整体通道中的隔离噪声设计、防止耦合敏感节点的设计尤为关键。
对于高集成度的射频混合电路,噪声耦合主要通过如图13所示的衬底噪声耦合。在本项目芯片中主要通过以下方法解决噪声耦合:减小数字电路产生的开关噪声;通过片上电源滤波电容或独立衬底接触孔等办法来减小数字电路开关噪声对衬底的耦合能力;在版图设计时采用远距离隔离以及保护环等技术来衰减衬底中已经存在的耦合噪声。
对于RF电路版图设计,除了满足基本设计规则外,本电路中还充分考虑布局的合理性,并使用了各种版图设计技术,使电路达到最佳性能。在版图设计时综合考虑各种寄生效应,如连线寄生电容效应、连线的寄生电阻效应、晶体管寄生效应和天线效应。在工艺制造方面不仅增加了光罩和深N阱注入,还采用了横向Flux金属层间电容(MIM)制造、多晶硅电阻制造和抗闩锁设计等技术。多模导航射频芯片整体布局如图14所示。
4 结束语
多模导航射频芯片是一款集成射频接收机所需的所有功能电路的RFIC电路,为国产化自主研发,在芯片级有效地兼容了北斗/GPS/GLONASS/Galileo 4种模式的卫星导航的接收与处理问题,有良好的性能和很强的适用性,满足了国内射频前端对国产芯片的功能和性能的需求,可应用于多模射频接收机及相关领域。本文对后续相关产品的开发以及改进具有相当重要的参考意义。
摘要：针对当前国内导航用芯片产业的现状及对自主化产品的迫切需求,提出了一种高集成度、完全自主化设计的导航射频芯片(RFIC)的实现方法,并从各内部模块的设计、仿真和实际测试数据等角度比较了该方法和传统架构的异同,结果表明该芯片可在接收机系统中完成高效的导航射频信号处理。基于该方案的产品的OIP3可高达20 d B以上,IMRR优于40 d B,整体通道噪声系数<4 d B,可满足国内导航市场的应用需求。
关键词：导航射频,RFIC,自主化设计
参考文献
[1]Nesreen I Z著.弱信号全球导航卫星系统接收机[M].张欣,译.北京:国防工业出版社,2008:101-150.
[2]Larson L E.Integrated Circuit Technology Options for RFIC’s——Present Status and Future Directions[J].IEEE J Solid State Circuits,MAR 1998,33:387-399.
[3]蒲林,任昶,蒋和全.射频集成电路测试技术研究[J].微电子学,2005,4(2):110-113.
[4]陈邦媛.射频通信电路[M].北京:科学出版社,2002:55-87.
[5]邹振杰,陈明辉,曲明.一种4 bit相位量化ADC电路分析[J].无线电通信技术,2011,37(6):40-42,49.
[6]殷素杰,杜浩.射频功率放大器的宽带匹配设计[J].无线电工程,2013,43(2):48-51.
[7]姜海玲.复杂电磁环境下射频前端的设计与实现[J].无线电工程,2013,43(7):32-34,40.
[8]许瑞生,郝伟光.微波功率放大器失配保护电路设计分析[J].无线电工程,2011,41(8):31-34.
[9]于雪岗,邓志鑫,范广伟.GNSS接收机窄带干扰陷波抑制研究[J].无线电工程,2013,43(9):33-37.
[10]吴丹,万达,梁保卫.一种改进的窄带干扰抑制算法[J].无线电通信技术,2012,38(1):32-34.
自主导航 篇9
关键词：免耕播种,自主导航,DOA估计,分辨率,稳定性
0引言
保护性耕作播种通过对农田实行免耕、少耕等方式保护田间地表,减少土壤风蚀、水蚀对地表的伤害, 从而提高土壤的肥力和抗干旱的能力。但是,当遇到春节播种时间气温低和雨水少的情况时,会阻碍农业的可持续发展。为了提高种子的发芽率,垄作成为春季播种种植的主要模式。一般传统的春季播种种植方式先对田间进行起垄,然后使用播种机进行播种、 修复田垄,最后进行镇压等。该种植方式对土壤的扰动很大、土壤失水严重、土壤风蚀加重,机具反复进入田间增加了能耗,提高了作业成本、破坏了土壤的自身基本结果,不利于现代化农业的可持续发展。因此,采用保护性免耕播种,不仅可以提高作业效率,而且可以保护地表和土壤肥力,增收增产。为此,本文对一款免耕播种机的自主导航系统进行了设计,以期提高免耕播种的精度和速度。
1自主导航免耕播种机总体设计
目前,在垄作地实行保护性耕作技术还缺少相应的能够较好满足农艺要求套播种机具。因此,为了更好地促进保护性耕作技术与垄作技术相结合,需要研制一种能够在原垄上实现免耕播种作业且对垄形破坏小及播种后垄形保持好的新型垄作免耕播种机。 本文设计了一种新的具有自主导航能力的免耕播种机,总体设计框架如图1所示。
图1中,定位方式使用双曲线定位,信号的方向使用DOA进行估计,通过信号的方向使用A /D转换功能调整伺服控制电机,从而完成自主导航和路径规划功能,流程如图2所示。
耕播监控分机系统以STC12C5A60S2作为主控芯片,外围的有nRF905无线模块、镂腿堵塞检测电路及模拟量信号调理电路,发送函数占用主函数运行时间。当向上位机发送数据时,CPU完全被发送函数占用,直到发送完成。
免耕播种机定位通信的原理如图3所示。首先免耕播种机向上位机发送字节,CPU之前处于等待状态,当接受到字节后,对发送字节的位置开始搜索,最终完成定位功能。
2免耕播种机结构和自主导航系统设计
免耕播种机的主要机械结构和部件包括孔式的排种器,主要由输肥管、导种管、输种管、开沟器、覆土器和镇压器等组成,来实现播种机的一次性播种( 包括开沟、施肥、播种、压种和覆土) 的全过程。
图4为新款的播种机结构设计示意图。在机架总成装有摄像头和传感器,通过摄像头可以完图像的采集。要实现播种机的自主导航系统,首先需要设计排种器的结构和形状,如图5所示。
图5中,两组双曲线可以确定一个点。假设3个AP1、AP2、AP3分别为传感器已知的节点,其坐标为( x1,y1) 、( x2,y2) 、( x3,y3) ; M点为待定位终端,坐标为( x,y) 。假设M点到各AP的距离分别为d1、d2、 d3,根据双曲线的几何关系可以完成距离的计算,有
而M到AP1和到各其他AP的距离差为
求解上述二元方程组就可以得到两个解,即双曲线的两个交点。其中,一个为M点的坐标。对于信号可以使用滤波算法降低噪声信号的干扰,其基本原理是去除小概率的数据,降低随机干扰数据的误差。假设对数正态分布模型可对电磁波田间传播情况进行如下近似,则有
其中,d为定位距离,ζ 是遮蔽因子,PL是距离为d时信号损耗,γ 是路径损耗系数,Pr是接收到的信号功率,Pt是发射机发送的功率,d0是参考距离,PL0是距离为d0时的信号损耗,用自由空间传播模型来得到PL0值。
为了实现滤波功能,使用DOA估计算法对信号进行滤波,假设DOA估计的目标是在给定N个快拍数据x( 1) ,…,x( N) ,用某种算法估计k个信号的DOA值 θ1,…,θk,其信号估计的基本原理如图6所示。
图6中,考虑两个阵元,d为阵元间的距离,c为光速,θ 为远场信号的入射角,φ 为阵元间的相位延迟, 则天线所接收的信号由于波程差为
从而可得两阵元间的相位差为
其中,f0表示指中心频率,对于窄带信号,相位差为
其中,λ 为信号波长。因此,只要知道信号的相位延迟,就可以求出信号的来向,从而实现免耕播种机的自主导航和定位功能。
3自主导航免耕播种机性能测试
为了测试本文设计的免耕播种机的自主导航能力,对其接受信号DOA估计、系统响应误差及播种效果和播种效率进行了测试。首先测试面耕播种机导航的抗干扰能力,在信号接受的噪声方面使用高斯白噪声,阵元间距为入射信号波长的1 /2,信噪比为30d B,阵元数为8,采样快拍次数为300。通过仿真计算得到了DOA谱函数分布,如图7所示。
由图7可以看出: 采用ROOT - MUSIC算法可以有效地绘制谱峰,从而能够很好地估算出入射信号的个数和方向,克服了传统定位精度低的缺点,可以有效解决密集信号环境中多个辐射源的高分辨率、高精度测向定位问题。
图8为在不同算法情况下播种误差的对比结果曲线。由图8可以看出: 使用DOA估计信号后,其播种误差要明显小于单纯使用最小二乘法和双曲线测量法。对播种效果进行测试后,得到了表1所示的结果。
通过测试发现: 播种的深度可以达到41 mm,施肥深度85mm,肥料之间的间距是43mm,合格率最高达到了98. 7% ,变异系数最低为1. 35% 。表明使用本文设计的免耕播种机播种效果较好。通过对比传统播种机和本文设计播种机的播种时间,得到了如表2所示的结果。
s
由表2可以看出: 相对于传统的播种机,本文设计的免耕播种机播种时间有所缩短,播种效率有了大幅度提高。
4结论
1) 采用双曲线定位和信号DOA估计,设计了一款新的具有自主导航和路径规划功能的免耕播种机, 能够很好地估算出入射信号的个数和方向,提高了定位的精度和分辨率。
自主导航 篇10
1 数学模型
1.1 运动方程式
充分考虑到以“太阳-地球-太阳帆”共同构成圆形限制三体的问题,在旋转坐标体系内,我们假设太阳与地球的间距为L,太阳与地球的质量之和为m1+m2。实现单位量纲一化,地球以太阳为轴心旋转的角速度可取ω=1,万有引力肠数G则为1,m2=μ。因此,可以得到旋转坐标体系内太阳帆(x,y)的运动方程式为。
式中:r——与引力值等值、与矢量等向的函数;a——光压力。U=(1-μ)/r1+μ/r2(2);r1=[(x+μ)2+y2]1/2(3);r2=[(x-1+μ)2+y2]1/2(4);a=β(1-μ)/r14(r1·n)2n(5)。
(5)式中:β ——以太阳光压和太阳帆法线一致为前提条件,光压力和引力值的比值,也称光压因子参数。
假设,可得旋转坐标体系内人工拉格朗日点的方程式为a= ω ×( ω ×r)-Ur) (6)。
由(6)式确定处于r位置的人工拉格朗日点所需太阳帆光压因子与太阳帆的法线方向分别为:n=[ ω ×( ω ×r)-Ur]/| ω ×( ω ×r)-Ur| (7);β =| ω ×( ω ×r)-Ur|/[(1- μ )/r14(r1·n)2] (8)。
合理调整太阳帆的运行姿态,并确认太阳帆整个运行过程均稳定于人工拉格朗日点。
1.2 运动方程式
我们知道,地球作为一种椭球体,在宇宙空间中必然会受到一些诸如非球形体引力摄动、月球引力摄动、日球引力摄动以及太阳光压作用等,在此计算过程中除了以上几种扰动,忽略其他干扰因素,进而可将J2000.0 地心赤道惯性坐标系的导航卫星动力方程式以来表述。
(9)式中:r——空间位置的矢量,r=|r|;a0——质心引力的加速度,a0=- μe/r3r;μe——地心的引力常数;aε——摄动的加速度。由此可知,aε= ae+ as+ am+ aRPR(10)。
(10)式中:ae——非球形引力摄动的加速度;as——日球对导航卫星摄动的加速度;aRPR——ECOM模型内导航卫星的加速度;am——月球对导航卫星摄动的加速度。若已知某个历元时刻导航卫星的空间位置与速度,即可利用积分计算每一时刻导航卫星的空间位置和速度。也就是说,可以将以上问题转换为计算如下常微初值的问题。
笔者以数值法来解算(11)式,需要考虑计算精度、计算效率两方面问题,最终利用RKF7(8)积分器和(11)式解算某个具体时刻的空间位置和位移速度。
1.3 导航卫星与太阳帆测距的观测数学模型
假设sa是导航卫星,ss是人工拉格朗日点位置的太阳帆。经导航卫星可得伪距观测量。此时,我们暂且忽略随机误差和系统误差,导航卫星和太阳帆伪距观测的方程式为Ras(t)=ρas(t)+Δas(t)(12);Rsa(t)=ρsa(t)+Δsa(t)(13)。
(12)和(13)式中:R——导航卫星与太阳帆的伪距;Ras——导航卫星观测太阳帆;Rsa——太阳帆观测导航卫星;ρas——导航卫星至太阳帆的距离(亦称导航卫星至太阳帆的几何间距);ρsa——太阳帆至导航卫星的距离;Δas和 Δsa——观测噪声。由(12)和(13)叠加,即可获得两个观测量R=( Ras+ Rsa)/2=ρas+( Δas+ Δsa)/2 (14)。(14)式是卫星与太阳帆二者测距所应用的观测数学模型,主要在导航卫星自主定轨技术中较为适用。我们可以假设在tk时刻导航卫星与太阳帆二者同时处于惯性坐标系位置矢量,这时候表述方程式分别为rsa(tk)=[xsa(tk)ysa(tk)zsa(tk)]T和rss(tk)=[xss(tk)yss(tk)zss(tk)]T。因此,导航卫星和太阳帆间距的观测量可表述为R(tk)=|rsa(tk)-rss(tk)|+ Δ (tk)。
(15)式中内含导航卫星和太阳帆二者相对的空间位置信息,量测间距即可确定二者相对位置的矢量关系,需要充分考虑到钟差与电离层的干扰。
2 数字仿真
2.1 前提条件
以GPS星座作为试验仿真的主要对象,选用IGS星历原始数据(轨道的精度约为5cm)实现仿真试验。
1)选择GPS卫星。挑选A、B、C、D、E和F六个轨道面内的一至三颗卫星的星座(计12 座)予以仿真,它们是A:PRN9、PRN8 和PRN19;B:PRN30;C:PRN31、PRN3 和PRN6;D:PRN24;E:PRN23和PRN10;F:PRN1和PRN29。
2)星间观测的基本要素。通常,地球遮挡可选取海平面1×103公里,测距极限则设置为5×104公里,暂且忽略地球遮挡和测距极限,每次观测频度设计为一小时。
3)动力模型(选用70×70阶WGS-84动力模型)。70×70阶WGS-84动力模型将地心引力常数GE和参考椭球体赤道半径ae引入,他们分别为GE=3.98604418 × 1014m3/s2、ae=6.378137 ×106m。另外,基于JPL-DE200算法得出太阳引力摄动和月球引力摄动的星历,基于ECOM数学模型算出太阳光压摄动。
4)初始轨道出现的根数误差可以方差得形式予以计算。P0/0=diag(10-16,10-16,10-16,10-16,10-16,10-16),其他卫星的计算原理基本与之雷同。
5)其他相关参数。试验仿真的周期为200天。
2.2 结果分析
由仿真结果分析来看,测距误差(简称URE)和空间位置误差具有显著发散的问题,整个仿真过程(约200天)产生URE误差约为7m。根据导航卫星星间测距与星间测向的实践成果分析可知,测距精度可达0.30m,测向精度可达1.00″。由此可见,自主定轨的误差收敛显然有了进一步加强的表现,贯穿试验仿真全程最大的URE误差不会超过3.50m。与此同时,利用导航卫星星间测距和导航卫星与太阳帆之间测距,星间测距的精度约为0.3m,而导航卫星与太阳帆之间的测距精度则约为1.0m。由此可以看出,自主定轨的误差周期性仍然具有小幅震荡的现象,而最大URE误差不会超过1.80m。联合测距、测向两种手段的导航卫星自主定轨的精度与两种方法独立操作的效果显然要好得多。
3 结束语
综上所述,笔者结合星间测距和星间测向两种技术实现导航卫星自主定轨,并通过数学建模完成试验仿真。从其原理所知,根据太阳帆中取得某一具体时刻的空间位置矢量信息来实现导航卫星自主定轨过程,其定轨精度将大大提升。而按照被动稳定控制原理将太阳帆稳定于人工拉格朗日点,这种技术方法可以减少一部分卫星燃料成本,并且可以保证导航卫星自主定轨的稳定性,且定轨精度相应也有所保障。
参考文献
[1]龚胜平,李俊峰,宝音贺西.人工拉格朗日点附近的被动稳定飞行[J].宇航学报,2012,28(3).
[2]张轲,周凤岐,祝开建,等.利用能量分析方法研究太阳帆的轨道转移[J].西北大学学报:自然科学版,2011,41(6).
[3]史晓宁.太阳帆深空探测轨道控制与优化方法研究[D].哈尔滨工业大学,2013.