基于RBFNN的双星协同仅测角定轨方法

针对空间非合作目标空间态势感知任务中弱可观测无源定轨状态的快速捕获问题,提出了一种基于径向基函数神经网络(RBFNN)的双星协同稀疏无源测角定轨方法。首先,在限制性三体问题的假设下建立了考虑地球非球形J2项摄动的轨道动力学模型和赤经赤纬测量模型。然后,构建了基于RBFNN的双星协同仅测角定轨框架,设计了训练数据集生成器、数据预处理方法和RBFNN结构。最后,利用地球静止轨道任务进行了数值仿真验证,并对测角频率等参数的定轨敏感性进行分析。仿真结果表明,在240 s内仅进行三次角度观测的条件下,该模型对初始相对距离估计的平均绝对百分比误差约为0.36%,目标轨道速度的估计误差在米/秒量级,可实现高精度的超短弧段稀疏无源测量定轨。

引入控制量变化率约束的双层协同轨迹规划器

针对亚音速飞行器编队飞行轨迹规划约束复杂、求解困难的问题,提出了一种引入控制量变化率约束的双层亚音速飞行器协同轨迹规划器。首先,引入控制量变化率约束以保证轨迹可行性,为了避免增加新的状态方程而增加计算量,采用拉格朗日插值多项式计算控制变量变化率,将其作为求解最优控制问题伪谱法的约束条件。然后,使用顶层单飞行器规划器在不考虑多飞行器协同约束的条件下使用较少配点的伪谱法快速求解每个飞行器的粗略轨迹结果,求解结果使用拉格朗日插值作为底层多飞行器规划器的初值。底层多飞行器规划器使用更多的配点以确保求解的精度,在考虑多飞行器协同约束条件下进行伪谱法求解,以解决伪谱法初值敏感问题并提高优化效率。最后仿真结果表明了所提方法的有效性,与引入虚拟控制量而增加状态方程方法相比,此方法计算量更小,求解效率更优,满足协同轨迹规划的要求。

基于DSP和ARM的车载组合导航计算机设计

为了满足项目中对导航系统的小型化、低成本以及高精度等要求,设计了基于DSP和ARM构成的车载双核嵌入式导航计算机系统。采用DSP作为导航解算计算机,完成导航数据的快速融合与解算处理;采用ARM处理器负责系统级的控制和部分数据的采集;采用CPLD完成其他导航数据经V/F后的采集、译码和控制以及时间对准。通过USB接口实现大容量数据存储,通过双口RAM实现双CPU通信。实验结果表明,该系统达到了预期的设计要求。

基于移动相关的最小二乘地图匹配新算法

为了提高军用车辆导航数字地图匹配的精度,针对通常匹配方法易出现误匹配和无法消除沿道路方向纵向误差的问题,提出了一种基于移动相关的最小二乘地图匹配新方法。该方法充分利用路网和历史轨迹信息,以多分辨率移动相关性进行匹配路段的搜索和定位,以最小二乘法进行SINS轨迹到待配路段的曲线整体投影,并通过视觉和数学的方法消除车辆偏离道路中心线的偏差影响。跑车实验表明,匹配后定位圆误差极限在1 m以内。该算法简单有效,且能满足高精度的要求,可以为组合导航提供良好辅助信息。

单测角相对导航的相对距离重构新算法

针对空间非合作目标中远程交会的单测角相对导航技术中核心的相对距离重构问题,首次提出了一种基于初值辅助的CCD相对测角/GPS绝对定位的相对距离重构新算法。首先在分析传统重构方法数学本质和优缺点的基础上,以余弦定理为基础,结合GPS历元差分建立了相对距离重构算法模型,然后对该算法的重构误差进行了理论推导和仿真分析。最后对两种工况下相对距离的重构进行了数值仿真。仿真结果表明该算法能够较为精确的重构出相对距离,重构精度取决于辅助初值的精度。因此,该算法具有重要的研究意义和应用价值。

基于相对角动量的空间非合作目标机动仅测角检测方法

针对传统方法在空间非合作目标小脉冲轨道机动检测过程中性能不佳的问题,在构建了一种基于相对角动量的新型待检特征量的基础上,提出了利用无源光学相机仅测角信息的轨道机动检测新方法。首先,在轨道坐标系下建立了基于Clohessy-Wiltshire方程的相对动力学模型和相机偏离质心安装时的相对视线角测量模型;然后,给出了相对角动量的定义并量化分析了以相对角动量作为机动检测特征标志的优越性;接着,设计了基于二次滑窗方差比值的机动检测算法框架;最后,通过数值仿真对所提算法进行了有效性验证和性能分析。仿真结果表明,该方法可以实现对近圆轨道目标的快速轨道机动检测,机动时间点检测误差在60 s以内。

一种复杂多介质环境下的视觉/惯性自适应组合导航方法

针对空间交会对接地面混合悬浮微重力模拟实验中自主水下航行器的高精度实时导航问题,提出了一种复杂多介质环境下视觉/惯性自适应组合导航方案和算法。首先,以视觉定位系统的采样时标为基准对惯导系统的测量数据进行拟合,并通过惯导逆向导航的方法实现惯导与视觉定位系统的时间同步。然后,根据视觉系统量测噪声时变的特点,设计了可对量测噪声在线估计的指数渐消记忆型Sage-Husa自适应卡尔曼滤波组合导航算法。最后,通过实验验证了该组合方案和算法的有效性。实验结果表明提出的方法可以实现复杂多介质环境下的高精度实时导航,并且相比于测量数据未同步的标准卡尔曼滤波组合导航方式,其速度误差和位置导航误差分别降低了56%和64%。

基于平台和正六面体的惯导系统现场标定技术

针对外场条件下的激光捷联惯组的标定问题,设计了一种适合外场标定的方案。在进行单一位置捷联惯导误差可观测性分析的基础上,提出一种基于平台及正六面体框架的外场标定方法。该方法仅通过翻转正六面体使对称位置误差相消,并且在对准中获取姿态信息,同时精确标定出陀螺漂移和加速度计零偏。最后对理论分析结果进行了仿真验证,仿真结果表明该方案可以实现外场条件下的陀螺漂移和加速度计零偏的精确标定,具有一定的工程实用价值。

长航时无人机惯性/天文组合导航算法研究

针对捷联惯导/GPS组合导航系统的抗干扰性差、捷联惯导/星敏感器组合系统不能解决惯导位置发散的问题,提出了一种采用捷联惯导与基于间接敏感地平的天文导航相组合的长航时无人机导航新方案。分析了最小二乘微分校正天文定位方法对无人机的定位原理,设计了组合导航的滤波器,推导了系统的观测矩阵。仿真结果证明,组合方法能较好地实现无人机的定位定姿,具有较强的抗干扰性和较高精度,可以满足长航时无人机导航系统的要求。

空间非合作目标近程交会仅测角相对导航方法

针对空间非合作目标近程交会自主无源仅测角相对导航系统状态不可观测的问题,提出基于相机偏心安装"杆臂效应"提供状态可观测性的仅测角相对导航算法。首先建立了相机偏置情况下的视线测量模型,然后提出了一种"类线性"变换的方法对系统进行可观测性分析,获得了使状态可观测的相机偏置条件,最后以建立的基于无迹卡尔曼滤波的仅测角相对导航算法和典型的交会轨迹进行理论结果的非线性Monte Carlo打靶数值仿真验证。仿真结果表明了理论分析结果的正确性,采用Clohessy-Wiltshire(CW)方程5 m偏置时,相对距离估计误差约2.5%,10 m偏置时约1.5%,采用Tschauner-Hempel(TH)方程时则分别为1.5%和1.1%。

仅测角导航多约束交会的闭环最优制导

针对多目标、多约束仅测角导航自主交会闭环最优制导问题,提出一种基于凸优化方法的最优制导算法。首先,考虑可观测性和鲁棒性要求,建立仅测角导航与制导多目标优化的性能指标,在此基础上,确立多目标、多约束最优交会问题的目标函数,以及基于凸优化的最优制导问题求解方法;然后,根据仅测角相对导航和制导之间存在的"耦合"关系提出了仅测角导航闭环制导的框架和解决方案;最后,仿真分析可观测性对导航和制导性能的影响,验证了所提出的仅测角导航多约束交会闭环凸优化制导方法的有效性。

柱面坐标系下航天器仅测角相对导航算法

针对采用星载无源光学相机实现对空间非合作目标的相对导航时轨道状态不可观测/弱可观测的问题,研究了基于柱面坐标系相对运动动力学模型的仅测角相对导航算法。首先,在柱面坐标系下建立了三维的相对轨道运动动力学模型和视线角测量模型;然后,基于该模型进行了仅测角相对导航的状态可观测性分析,定性地获得了相对轨道状态可观测性更佳的几何条件;接着,为了解决强非线性模型的估计问题,建立了基于平方根容积卡尔曼滤波的仅测角相对导航估计算法及长航时导航滤波方案;最后,对所提算法进行了数值仿真实验验证。仿真结果表明柱面系下动力学模型的轨道曲率捕获能力强,能够为仅测角相对导航提供足够可观测性,相对轨道估计误差可收敛至公里级,能够满足中远程空间态势感知、交会的精度要求。

航天器近程编队自主协同相对导航方法

针对GNSS(全球导航卫星系统)拒止环境下近圆轨道多航天器近距离编队自主协同相对导航问题,提出了利用测角相机偏离航天器质心安装时的杆臂效应和多航天器之间几何一致性约束来实现相对导航的方法。首先,在第二轨道坐标下分别建立了基于Hill-Clohessy-Wiltshire方程的多航天器编队相对轨道演化模型、测角相机偏离质心安装情况下的相对视线角测量模型;然后,引入多航天器之间几何约束建立了相对轨道状态的一致性约束模型,并基于该约束模型设计了一致性扩展卡尔曼滤波估计算法;接着,对所建立的相对导航模型进行了相对轨道状态的可观测性分析,得到了使相对轨道可观测的相机偏置安装条件;最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了校验,并与一致性无约束条件下的估计算法进行了对比分析。仿真结果表明,本文所提算法的相对位置误差能够快速收敛,在5 m传感器偏置和10-3 rad量级测角误差条件下,多航天器相对定位误差在10 m以内。

近地轨道航天器编队仅测距相对导航方法

针对地球中高轨道卫星导航信号不可用或不可信赖情况下的航天器编队自主相对导航问题,提出一种基于星载数据链仅测距的航天器相对导航新方法。首先,在地球非球形J2引力摄动条件下建立适用于椭圆轨道的线性化相对运动动力学模型,并建立基于星载数据链的飞行时间测距模型。然后,通过理论推导与数值仿真结合的方式对建立的仅测距相对导航系统进行可观测性分析,得出至少存在三种镜像模糊轨道的结论。接着,建立可用于提升系统可观测性的几何拓扑一致性约束模型,设计基于一致性无味卡尔曼滤波的分布式估计策略,并研究对应的相对导航误差传播规律。最后,通过标准蒙特卡洛打靶对所提算法进行仿真校验。仿真结果表明,相比于Tschauner-Hempel(TH)动力学模型,利用建立的J2摄动相对运动动力学模型设计的仅测距相对导航系统能达到更高的相对导航精度,一致性无味卡尔曼滤波算法也能够有效提高编队导航的可观测性。

微小卫星临近操作仅测距初始相对定轨解析方法

针对仅有相对距离测量信息的近圆轨道航天器近程交会问题,首次提出一种基于传感器偏离航天器质心安装杆臂效应的解析初始相对定轨算法,解决了仅测距定轨存在镜像解的模糊性问题。首先给出了仅测距定轨模糊性的数学解释,然后基于Clohessy-Wiltshire动力学模型和传感器偏心安装的杆臂效应推导了仅测距信息情况下的初始相对轨道解析解,并给出系统能够去模糊的传感器安装条件。最后通过无误差仿真验证了所提算法的有效性,通过误差情况下的Monte Carlo仿真分析了算法的定轨性能。仿真结果表明所提算法有效,在满足传感器偏心安装条件下能够实现较为精确的初始相对定轨。

浅论教授给本科生授课的教学制度

中国特色社会主义新时代的建设给高等教育的人才培养提出了新的要求,而提升本科生教育质量是培养一流人才、科教强国的重要基石,在此背景下,国家大力推动教授必须给本科生授课的教育制度。笔者总结了社会群体对该制度的主要观点和看法,分析了教授参与本科生教学的重要意义,并分析了当前的主要问题,最后提出了推动教改、提升教授在本科教学中的核心价值可行方案,并给出了促进该制度实施效果的教学考核制度建议。

无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法研究

针对全球导航卫星系统(GNSS)拒止环境下无人飞行器集群成员间的相对定位问题,研究了一种基于机载惯性测量单元(IMU)、气压高度计与数据链测距组合的初始相对位姿求解算法。首先,在高度计稳定输出较为精确的高度信息的前提下,将飞行器的三维运动解耦成二维水平运动,给出了三维加速度和角速度、测距信息的水平坐标系投影等效模型。在此基础上,以待求量相对位置和航向角的非线性形式构造了新的待求状态量,并将相对位置和航向角的非线性求解问题转化成了新状态量的线性模型最小二乘求解问题。然后,通过引入递推最小二乘算法(RLS),建立了该相对位姿求解算法的实时输出递推形式,有效降低了机载在线计算的负载。接着,对所提算法进行了可观测性分析,并给出了使系统状态量不可观测的几种相对运动形式。最后,对所提算法进行了数值仿真实验,仿真结果表明,该算法能够有效、快速求解初始相对位姿,位置误差在初始相对距离的10%以内,航向角误差在初始相对角度的1%以内。

基于可观测性分析的单测角相对导航与闭环制导技术

针对仅有相对角度信息的空间交会问题,进行了基于可观测性分析的单测角相对导航与闭环制导技术研究。首先,建立了系统滤波模型,并从新视角对滤波系统进行了可观测性分析,得到了系统可观测的充分条件。然后,结合多脉冲滑移安全制导策略分析了单测角相对导航与制导的耦合关系,得到了耦合关系的数学表达,并利用耦合关系设计了相对导航与闭环制导方案。最后,通过Monte Carlo打靶仿真验证了该方案的有效性,并分析了不同传感器误差与初始状态误差水平下的导航与制导精度。

基于相对方位信息和单间距测量的多智能体编队协同控制

由多个载体组成的多智能体系统对复杂环境具有更高的适应性,能够完成传统单个载体无法完成的任务。针对多智能体编队集结与队形移动跟踪问题,提出了一种改进的多智能体编队协同控制新算法。首先,以拒止环境下跟随智能体仅能通过光学传感器测量相对方位信息为任务背景,针对"领导者——第一跟随者"结构的多智能体编队,提出了基于相对方位信息与单间距测量的控制器,使得第一跟随者智能体可以追随移动的领导者智能体,并且可以通过改变与领导者智能体的间距对编队整体队形进行缩放控制。其次,提出一种了改进的分布式控制律,使得其他跟随者智能体可以仅通过两个相对方位信息完成编队飞行。然后,根据Lyapunov第二方法,构建了系统的能量函数,验证了所提出算法的稳定性。最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了验证。仿真结果表明,基于该控制律多智能体系统能够完成编队集结、队形缩放和编队飞行的任务。