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捷联惯性导航系统的姿态算法研究的开题报告
标题：捷联惯性导航系统的姿态算法研究
一、研究背景
随着现代科技的不断进步，无人飞行器（UAV）的应用越来越广泛，而惯性导航系统作为实现无人飞行器自主飞行的核心设备之一，在飞行控制系统中发挥着重要作用。
其中，姿态算法是惯性导航系统的关键技术之一，能够实现无人飞行器稳定飞行和精确控制。
二、研究目的
本文旨在研究捷联惯性导航系统的姿态算法，探究其改进和优化方法，提高其稳定性和精度，为无人飞行器的自主飞行提供更加可靠的支持。
三、研究内容
（一）姿态解算
姿态解算是捷联惯性导航系统中姿态算法的核心问题。
本文将研究基于四元数的姿态解算方法，并探讨姿态解算的实时性和精度。
（二）滤波算法
针对捷联惯性导航系统中存在的传感器噪声和测量误差等问题，本文将研究常用的滤波算法，如卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波等，并探讨其在姿态解算中的应用。
（三）姿态控制算法
在实际应用中，无人飞行器需要通过姿态控制实现目标飞行姿态的调整和保持。
本文将研究基于四元数的姿态控制算法，并分析其控制精度和实时性等关键技术。
四、研究方法
本研究将采用理论分析、仿真计算和实验验证相结合的方法，从理论上探究捷联惯性导航系统的姿态算法优化方法，并通过仿真计算和实验验证对算法的效果进行评估。
五、预期成果
本文将研究捷联惯性导航系统的姿态算法，包括姿态解算、滤波算法和姿态控制算法等关键技术。
预期成果为优化和改进现有的算法，提高捷联惯性导航系统的精度和稳定性，为无人飞行器的自主飞行提供可靠的支持。
基于捷联惯导和四元数的解耦控制赵怡;郭会兵【摘要】采用捷联惯导实时测量火炮调炮过程中身管在大地坐标系下的姿态(方向角、俯仰角和横滚角),采用四元数法建立火炮操瞄解耦模型,使方位、高低随动能够独立控制,大大减少了中间误差环节,提高了调炮精度和速度,达到实时解耦控制效果,通过工程实践证明了该解耦控制的有效性.【期刊名称】《实验室科学》【年(卷),期】2012(015)005【总页数】4页(P74-77)【关键词】捷联惯导;四元数法;解耦控制【作者】赵怡;郭会兵【作者单位】山西大学商务学院,山西太原030001;北方自动控制技术研究所三室,山西太原030006【正文语种】中文【中图分类】TP391.8捷联惯导(“捆绑”在运载体上的惯导)是一种基于牛顿力学定律的姿态测量元件［1］，由于省去了复杂的机电平台，具有体积小、启动快、耐冲击和振动等一系列优点［2］。
本文首次采用了新型的光纤陀螺惯导，在调炮过程中实时测量身管的方向角、俯仰角和横滚角，向火控计算机提供精确的姿态信息，实现了精确的一次调炮。
但是，火炮身管的方位高低执行机构位于载体坐标系，而惯导姿态和目标诸元位于大地坐标系，当火炮处于倾斜状态时，载体坐标系上的方位高低在大地坐标系将出现耦合，这种耦合直接导致调炮时出现不平稳“锯齿”现象，增加了调炮时间，无法达到“稳、准、快”的指标需求［3－4］。
本文研究用四元数法描述两个三维坐标系的相对旋转运动，并导出载体坐标系在大地参考坐标系下的姿态四元数，据此对火炮调炮量进行解耦，得到火炮随动系统在载体坐标系下方位、高低误差控制量，实现方位和高低的独立控制。
通过解耦，操瞄控制闭环在惯导的方向角和俯仰角上，削弱了火炮载体的弹性形变及方位高低传感器误差，提高了火炮瞄准控制速度和精度。
实验结果表明，基于捷联惯导和四元数的解耦控制速度快，误差小，优于基于横纵倾传感器的火炮操瞄模式。
四元数是一种超复数，早在1843年就由哈密尔顿提出。
捷联惯性导航系统的四元数姿态适时修正算法探讨
尹苗苗;孔凡邨
【期刊名称】《中国航海》
【年(卷),期】2007(000)001
【摘要】建立了捷联惯性导航系统的四元数姿态修正算法,该算法跟其他常用算法的区别是在旋转矢量计算上的处理不同,计算采用了多步骤Adams-Moulton方法.由于多步骤方法不能自行启动,所以在开始阶段采用了单步骤Heun's方法.然后,在实际计算值和预估值的基础上,建立了姿态修正运算法的评估误差方程.数字测试结果表明该四元数姿态修正算法在低频动态情况下是可靠的.
【总页数】6页(P29-34)
【作者】尹苗苗;孔凡邨
【作者单位】缅甸海事大学,仰光,缅甸;上海海事大学,上海,200135
【正文语种】中文
【中图分类】U6
【相关文献】
1.一种新的捷联惯性导航系统姿态四元数方程求解方法 [J], 周召发;胡文;张志利;徐梓皓;陈河
2.捷联惯性导航系统姿态算法综述 [J], 王德春;芮健;张杰
3.捷联惯性导航系统的姿态算法 [J], 刘危;解旭辉;李圣怡
4.基于总体最小二乘法的捷联惯性导航系统姿态阵更新算法改进的研究 [J], 于金
鑫;孙振宇
5.捷联惯性导航系统姿态算法研究 [J], 郭访社;于云峰;刘书盼;仝浩;郝福建
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捷联惯导四元数的四阶龙格库塔姿态算法史凯;刘马宝【摘要】针对捷联惯导姿态更新算法高精度、结构复杂度低的需求,为了满足常规武器工程化的需求,提出捷联惯导四元数的四阶龙格库塔姿态解算算法.根据载体初始姿态角确定姿态转换矩阵,由姿态转换矩阵确定四元数初值,用四阶龙格库塔法解四元数微分方程,更新四元数,从而根据四元数与姿态角之间对应关系解算弹体姿态角.120迫弹平台仿真结果验证了四阶龙格库塔姿态更新算法的正确性,姿态解算精度0.01°,开发实用化样机进行实际抛洒实验,结果表明,该算法切实可行,可工程化使用.【期刊名称】《探测与控制学报》【年(卷),期】2019(041)003【总页数】5页(P61-65)【关键词】捷联惯导;姿态更新算法;四阶龙格库塔法;四元数【作者】史凯;刘马宝【作者单位】西安交通大学航天学院,陕西西安 710049;西安机电信息技术研究所,陕西西安710065;西安交通大学航天学院,陕西西安 710049【正文语种】中文【中图分类】V241.6220 引言捷联惯性导航系统不需要任何外来信息,也不会向外辐射任何信息,仅靠惯性导航系统本身就能在全天候条件下进行三维定向[1],通过弹载三轴正交陀螺仪直接解算弹体姿态,其结构简单,抗干扰能力强。
姿态解算是捷联惯性导航系统的关键技术,目前姿态解算的精度一方面受制于陀螺仪自身器件的水平;另一方面是受姿态解算算法的约束,捷联式惯导姿态更新算法的精度以及复杂程度直接影响整个姿态测量系统的解算精度。
目前姿态解算的主要方法有欧拉角法、四元数法和方向余弦法。
欧拉角法不能用于飞行器全姿态解算而难以广泛应用于工程实践,且实时计算困难。
方向余弦法避免了欧拉角法的“奇点”现象,但方程的计算量大,工作效率低。
四元数法只需要求解四个未知量的线性微分方程组,计算量比方向余弦法小,且算法简单,易于操作,是较实用的工程方法。
关于四元数的求解方法,很多文献都采用数字积分的方法解算载体的姿态[2],或只将龙格库塔算法应用到弹体的滚转角解算,并没有进行三个方向的全姿态角解算[3]。
MEMS传感器在航姿测量系统中的应用摘要： MEMS传感器以其体积小、成本低、功耗低的优点广泛应用于工业领域，本文介绍了一种航姿测量系统，使用MEMS传感器作为惯性测量单元，以微处理器作为控制核心，实现了对载体的六自由度姿态测量，相比于传统的机械陀螺仪和光纤陀螺仪组成的航姿测量系统，具有体积小、成本低的优点。
关键词： STM32 MPU6050 无人机航姿测量系统1引言载体的姿态解算广泛应用于航空航天、工业机器人等热门领域，是惯性导航的关键技术[1],准确的姿态信息对于无人机等载体实施精确运动控制至关重要。
传统的机械陀螺仪和光纤陀螺仪等传感器价格昂贵且体积庞大，不适合无人机的发展[2]。
因此，使用微机电系统（MEMS）技术制造的传感器进行姿态检测并广泛应用于无人机的控制系统中，是无人机等载体控制系统的发展趋势。
本文通过STM32微处理器读取MPU6050六轴运动处理组件的姿态信息并进行整合解算，构建了航姿测量系统，并通过对载体姿态角度的测量，验证了该系统的实用性。
2系统总体设计系统总体设计是以STM32微处理器为核心的控制平台，通过I2C接口对姿态传感器MPU6050的传感器测量数据进行采集，对采集的原始数据进行处理得到四元数，进而转化成欧拉角，得到其俯仰角、横滚角及偏航角等姿态信息。
生成的欧拉角经过内部控制程序判断后输出对应的PWM波形对驱动系统进行调速，进而达到控制姿态的目的。
2.1STM32微处理器考虑到性能、功耗和可扩展性等方面，系统采用STM32F407ZGT6微处理器，该处理器内核为带有FPU的32位Cortex-M4处理器，主频高达168MHz。
片上集成了高速存储器，包括高达1MB的闪存及196KB的静态存储器，具有多达140个具有中断功能的I/O接口及15个通信接口（包括I2C、USART、UART、SPI、CAN等接口），且具备睡眠、待机和停机模式。
因此此款处理器具有高性能、低功耗、扩展性强等优点，大大简化了工程设计难度和系统结构复杂度。
一种新型基于四元数的姿态解算算法研究近年来，随着技术的发展，越来越多的智能装备开始出现在我们的日常生活中。
其中，机器人成为了一个备受关注的领域，也成为了智能装备的一种重要形态。
然而，要想让机器人正常运行，需要解决许多问题，其中姿态解算算法是其中的一项重要问题。
姿态解算算法是指通过传感器获取机器人的姿态信息，并将其转化为计算机能够理解的形式。
经过姿态解算后，机器人能够更加精确地掌握自己的姿态信息，从而更加准确地完成各种任务。
现有的姿态解算算法包括欧拉角法、旋转向量法和四元数法。
而本文研究的新型姿态解算算法则是一种基于四元数的算法。
四元数法在欧拉角法和旋转向量法的基础上发展而来，具有很多优点。
首先，四元数具有紧凑、高效的表示方式，能够更加方便地进行姿态解算。
其次，四元数法可以避免万向锁问题，从而更加稳定和精确。
因此，基于四元数的姿态解算算法在机器人控制、航空航天等领域得到了广泛应用。
本文在此基础上进一步探索了一种新型的基于四元数的姿态解算算法，旨在提高机器人的控制精度和稳定性。
首先，我们建立了一个四元数姿态解算模型。
该模型考虑了机器人在空间中的位移、旋转等因素，并将其转化为四元数的形式。
通过对四元数进行运算和变换，我们可以更加精确地计算出机器人的姿态参数。
接着，我们基于四元数姿态解算模型，提出了一种新型的姿态解算算法。
该算法在计算机程序中实现，能够自动获取机器人的传感器数据，并进行姿态解算。
该算法的主要优点在于精度高、稳定性好、适用性广。
最后，我们通过实验验证了该算法的可行性和有效性。
在机器人进行各种动作时，我们测量了其姿态数据，并将其与算法计算出的姿态数据进行比较。
结果表明，该算法具有高精度、高稳定性，能够有效提高机器人的控制精度。
综上所述，基于四元数的姿态解算算法在机器人控制、航空航天等领域具有重要意义。
本文提出的新型姿态解算算法具有高精度、高稳定性，有望成为未来机器人设计与控制领域的重要发展方向。
用四元数法的捷联惯性导航姿态解算程序close all;clear all;%重力产生的加速度矢量g=9.80142;%单位9.8m/s^2G=[0,0,-g]';%****************************读入数据%**********读入陀螺仪的数据gyro_x=load('gyrox.txt');gyro_y=load('gyroy.txt');gyro_z=load('gyroz.txt');%****************读入加速度计的数据**************%acc_rate=3/1024;acc_x =load('acceleratex.txt');acc_y =load('acceleratey.txt');acc_z=load('acceleratez.txt'); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %加速度数字转换为模拟电压data_acc=[acc_x;acc_y;acc_z];data_acc=data_acc/1024*3%将数据转换为相应的加速度值%%*********************************************************%加速度计三个轴向的零点电压%zero_ax=?%zero_ay=?%zero_az=?%加速度计三个轴向的电压/加速度比值%rate_ax=? %单位是m/s^2/V%rate_ay=?%rate_az=?%acc_x=acc_x*acc_rate;%acc_y=acc_y*acc_rate;%acc_z=acc_z*acc_rate;aver_acc_x=mean(acc_x)aver_acc_y=mean(acc_y)aver_acc_z=mean(acc_z)%采样时间dtime=0.01;tm=0:dtime:0.01* (size(gyro_x,2)-1);%个数numn_point=size(gyro_x,2);%图1figureplot(tm,data_acc(1,:),'-',tm,data_acc(2,:),'.',tm,data_acc(3,:),'-.'); title('加速度计的采样曲线');legend('x_ACC','Y_ACC','Z_ACC');xlabel('Time / (10ms)');ylabel('Accelerate/ (m/s'')');grid on;%plot(tm,acc_x,'-',tm,acc_y,'.',tm,acc_z,'-.');%title('加速度的计的采样曲线'):%对采样曲线进行低通滤波a=[1,2,4,2,1];%gyro_x=filter(a/sum(a),1,gyro_x);%gyro_y=filter(a/sum(a),1,gyro_y);%gyro_z=filter(a/sum(a),1,gyro_z);%比例变换gyro_x=gyro_x/1024*3/0.6;gyro_y=gyro_y/1024*3/0.6;gyro_z=gyro_z/1024*3/0.6;%零点电压--陀螺仪，取前80个数的平均电压zero_gx=sum(gyro_x(1:80))/80zero_gy=sum(gyro_y(1:80))/80zero_gz=sum(gyro_z(1:80))/80%减去零点gyro_x=(gyro_x-zero_gx)/0.0125/180*pi; gyro_y=(gyro_y-zero_gy)/0.0125/180*pi; gyro_z=(gyro_z-zero_gz)/0.0125/180*pi;%gyro_x=(gyro_x-2.5)/0.0125/180*pi;%gyro_y=(gyro_y-2.5)/0.0125/180*pi;%gyro_z=(gyro_z-2.5)/0.0125/180*pi;%测试数据accelerate=zeros(3,n_point);accelerate(1,1:100)=10;accelerate(1,101:200)=-10;accelerate(1,201:300)=0;%陀螺仪数据gyro_x=zeros(1,n_point);gyro_y=zeros(1,n_point);gyro_z=zeros(1,n_point);gyro_z(1:100)=pi/3;gyro_z(101:200)=-pi/3;%重力轴始终有加速度accelerate(3,:)=accelerate(3,:)+9.8;figureplot(tm,accelerate(1,:),'-',tm,accelerate(2,:),'.',tm,accelerate(3,:),'-.');title('加速度计的采样曲线');legend('x_ACC','Y_ACC','Z_ACC');xlabel('Time / (10ms)');ylabel('Accelerate/ (m/s'')');grid on;%画出陀螺仪的采样曲线figureplot(tm,gyro_x,'r-',tm,gyro_y,'g.',tm,gyro_z,'b-.');title('陀螺仪的采样曲线');legend('x_Gyro','Y_Gyro','Z_Gyro');xlabel('Time / (10ms)');ylabel('Angel_rate/ (degree/s)');grid on;%size(gyro_x)%size(gyro_y)%size(gyro_z)data_gyro=[gyro_x;gyro_y;gyro_z];%转移矩阵--即方向余弦矩阵T=eye(3); %T是3*3的单位矩阵,初始转移矩阵%四元数矩阵，存储每步更新之后的四元数，方便以后绘图Q=zeros(4,n_point);%四元数的初始值确定，假定一开始导航坐标系与载体坐标系是重合的，因此方向余弦矩阵，是单位矩阵，利用它们之间的关系确定四元数的初始值。
《捷联惯性导航系统关键技术研究》篇一一、引言捷联惯性导航系统（SINS）是一种基于惯性测量单元（IMU）的导航技术，其通过测量物体的加速度和角速度信息，结合数字积分算法，实现对物体运动状态的精确估计和导航。
SINS具有高精度、抗干扰能力强、无需外部辅助等优点，在军事、航空、航天、航海等领域具有广泛的应用前景。
本文将重点研究捷联惯性导航系统的关键技术，包括传感器技术、算法技术以及系统集成技术。
二、传感器技术研究1. 陀螺仪技术陀螺仪是SINS的核心部件之一，其性能直接影响到整个系统的精度和稳定性。
目前，常用的陀螺仪包括机械陀螺、光学陀螺和微机电系统（MEMS）陀螺等。
其中，MEMS陀螺因其体积小、重量轻、成本低等优点，在SINS中得到了广泛应用。
然而，MEMS陀螺的精度和稳定性仍需进一步提高。
因此，研究高性能的MEMS陀螺制造技术和材料，以及优化其工作原理和结构，是提高SINS性能的关键。
2. 加速度计技术加速度计是SINS的另一个重要传感器，其测量精度和稳定性对SINS的导航性能有着重要影响。
目前，常用的加速度计包括压阻式、电容式和压电式等。
为了提高加速度计的测量精度和稳定性，需要研究新型的加速度计制造技术和材料，以及优化其电路设计和信号处理算法。
三、算法技术研究1. 姿态解算算法姿态解算算法是SINS的核心算法之一，其目的是通过陀螺仪和加速度计的测量数据，计算出物体的姿态信息。
目前常用的姿态解算算法包括欧拉角法、四元数法和卡尔曼滤波法等。
为了提高算法的精度和实时性，需要研究新型的姿态解算算法，如基于机器学习的姿态解算方法等。
2. 误差补偿算法由于传感器自身的误差和外部环境的影响，SINS在运行过程中会产生误差。
为了减小误差对系统性能的影响，需要研究误差补偿算法。
目前常用的误差补偿算法包括基于模型的方法和基于数据的自适应补偿方法等。
研究新型的误差补偿算法和技术手段是提高SINS性能的重要方向。
四、系统集成技术研究1. 数据融合技术数据融合技术是将来自不同传感器的数据信息融合起来，以提高导航系统的整体性能。
捷联惯导系统姿态解算模块的实现杜海龙;张荣辉;刘平;郑喜凤;贾宏光;马海涛【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2008(016)010【摘要】提出了一种实现捷联惯性导航系统姿态解算模块的方法.基于DSP的硬件平台和四元数的数学平台,设计了捷联惯性导航系统的姿态解算模块.介绍了捷联惯性导航系统的工作原理和姿态解算的基本算法,并给出了四元数法的四阶龙格一库塔数值解法.设汁了姿态解算模块的硬件电路和软件实现程序.实验测试结果表明,在增量角＜5°的情况下,用四阶龙格-库塔法进行姿态解算,误差＜0.005 3%;应用TMS320C6713B进行硬件电路设计,每次解算时间＜36μs,能够满足捷联惯性导航系统对精度和速度的要求.【总页数】7页(P1956-1962)【作者】杜海龙;张荣辉;刘平;郑喜凤;贾宏光;马海涛【作者单位】中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039;大庆职业学院,黑龙江,大庆,163255;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;吉林大学,通信工程学院,吉林,长春,130012;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】V448.22【相关文献】1.四阶龙格-库塔法在捷联惯导系统姿态解算中的应用 [J], 张春慧;吴简彤;何昆鹏;周雪梅2.四阶龙格-库塔法在捷联惯导系统姿态解算中的应用 [J], 张春慧;吴简彤;何昆鹏;郭新伟3.船用捷联惯导系统姿态解算的研究 [J], 张家海;谢荣生;郝燕玲4.火箭弹简易捷联惯导系统的姿态解算修正方法 [J], 贺元军;卢晓东;吕春红;赵斌5.基于NiosⅡ的光纤捷联惯导系统数据采集模块设计 [J], 张海宏;李保国;刘思庆因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
长航时高精度惯导系统姿态阵的四种解算方法
何虔恩;曾聪杰;林志贤;刘开进
【期刊名称】《导航定位与授时》
【年(卷),期】2018(005)002
【摘要】高精度惯性导航系统是保证水下或水面运载体长时间安全航行及搭载的仪器设备正常工作的关键技术之一,姿态阵解算是其核心问题.通过分解姿态阵以及分别采用Euler角和四元数描述姿态参数,建立解算姿态阵的四种方法;分别对这四种方法中的姿态模型进行扰动,并研究相应线性化误差模型的精度及其影响因素;利用数值仿真法对四种姿态解算方法的结果及对应的线性化误差模型的精度进行了比较分析,结果表明:姿态阵解算分解法显著差别于整体法,采用Euler角或四元数描述姿态参数对姿态阵解算精度的影响不显著,分解法对应的线性化误差模型的精度优于整体法.
【总页数】9页(P35-43)
【作者】何虔恩;曾聪杰;林志贤;刘开进
【作者单位】福州大学物理与信息工程学院,福州350116;福建星海通信科技有限公司,福州350001;福州大学物理与信息工程学院,福州350116;福州大学物理与信息工程学院,福州350116;福建星海通信科技有限公司,福州350001
【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
【相关文献】
1.捷联惯导系统姿态解算模块的实现 [J], 杜海龙;张荣辉;刘平;郑喜凤;贾宏光;马海涛
2.火箭弹简易捷联惯导系统的姿态解算修正方法 [J], 贺元军;卢晓东;吕春红;赵斌
3.一种高精度的捷联姿态解算方法及其仿真 [J], 谢荣生;孙枫
4.基于MEMS传感器的惯导系统预处理和姿态解算 [J], 刘维; 王明杭; 朱志宇
5.低成本惯导系统预处理和姿态解算 [J], 毛红瑛;陈至坤;张瑞成
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关于捷联惯导系统全姿态导航的一种新诠释
王亚锋;刘华平;张友安;孙富春
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2007(19)20
【摘要】飞行器导航中,姿态角的获取可以通过直接或间接的积分运算求得的,所谓间接获取即是指通过四元数或方向余弦的积分运算求得姿态矩阵,再从姿态矩阵中提取姿态角。
自从全姿态导航这个词出现开始,很多学者都试图给其一个合理的解释,特别是在飞行器处于垂直状态时,对于姿态角的取法,他们提出了宝贵的见解,但是经过推理验证,发现其中存在着一些不足。
这里,引入目标航向角的概念,提出一种新的姿态角取法,并就全姿态导航的含义给出一种新的诠释。
最后,给出一个简单例子对此姿态角取法加以验证。
【总页数】4页(P4755-4758)
【关键词】全姿态;四元数;奇异;垂直状态;目标航向角
【作者】王亚锋;刘华平;张友安;孙富春
【作者单位】海军航空工程学院自动控制系;清华大学计算机科学与技术系智能技术与系统国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
【相关文献】
1.捷联惯导系统全姿态初始对准方法 [J], 刘生炳;魏宗康;陈东生;吴涛
2.一种改进的捷联惯导系统姿态算法 [J], 张朝飞;杨孟兴;吴明强
3.基于误差四元数的捷联惯导全姿态导航与控制 [J], 王亚锋;刘华平;孙富春;张友安
4.一种新的捷联矩阵更新算法在无陀螺捷联惯导系统中的应用 [J], 赵龙;史震;马澍田
5.一种捷联惯导系统姿态测量新算法的应用研究 [J], 张亚崇;郭圣权
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