AUV协同定位性能与编队构型分析

针对三领航艇自主水下航行器(AUV)协同导航系统,在不简化距离量测方程的前提下推导系统定位性能评价函数,在此基础上分析系统定位性能与编队构型、集群航速以及艇间距离之间的耦合关系。同时,通过理论分析证明在一定条件下该系统定位性能评价函数可以退化为最简形式,且该最简定位性能评价函数与误差椭圆法、Fisher信息矩阵法相关结果在表达形式上具有一致性。进一步,通过推导AUV位置估计的克拉美-罗下界(CRLB)完善系统定位性能评价函数并定量分析艇间测距噪声对系统定位性能的影响。最后,基于系统定位性能评价函数分析构建三领航艇协同导航系统最优、次优与最差编队构型,并通过仿真实验证明分析结论与编队构型的有效性。仿真实验结果表明,当AUV集群以最优、次优编队构型航行时,降低集群速度可以在一定程度上提高系统定位性能,在本文设置实验条件下系统定位精度可以提高9.11%,但改变艇间距离对定位性能几乎没有影响;当AUV集群以最差编队构型航行时,降低集群速度与缩短艇间距离均可提高系统定位性能,若两者同时满足将大幅提高系统定位性能,在本文设置实验条件下系统定位精度分别提高63.17%、63.99%与81.50%。

三机协同无源时差定位最优编队构型分析

针对未来空战中航空集群协同无源时差定位编队构型确定问题,提出了一种确定三机协同无源时差定位最优编队构型的方法。分析了确定集群编队构型的基本原理;归纳了4个三机编队构型决定因素:主辅机相对位置、基线夹角、基线距离以及主辅机高度差;将定位区域范围和定位距离作为衡量集群无源定位编队构型优劣的指标,并进行了仿真计算。仿真结果表明:在火控引导阶段,当采用主机在后、辅机在前,基线夹角为150°,基线距离为60 km^80 km,主机与目标同高度且主辅机之间高度差为±(1-2)km的编队构型时,三机协同无源时差定位编队构型为最优。

基于几何解释的集群AUV协同定位误差及编队构型分析

针对利用Cramer-Rao不等式下界评价集群AUV定位性能不直观的问题,基于几何椭圆提出了定位性能评价标准的几何解释方法。利用Fisher信息矩阵代替Cramer-Rao不等式,通过奇异值分解将先验信息矩阵与量测信息矩阵合成为后验信息矩阵,并利用椭圆对其进行几何表示,基于后验信息椭圆面积建立定位性能评价函数。通过分析性能评价函数,设计了单主、双主以及三主AUV集群的最优编队构型,并对三主AUV集群编队提出了特殊编队构型,其较最优编队构型的定位性能相差不大的情况下,更容易实现。仿真实验验证了最优编队构型具有更高的定位精度以及特殊编队构型的有效性。

分布式GEO SAR:编队构型设计及性能分析

地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)具有短重访周期、大覆盖范围的优势,在防灾减灾方面具有重大潜力.本文提出包含远近编队的伴随分布式GEO SAR系统,在单星GEO SAR基础上,通过增加仅接收信号的从星伴随飞行,形成多个相位中心,具有功能丰富、成本低的优点;但不同功能对编队的空间基线要求不同.本文针对近距编队构型,提出基于坐标旋转的相对运动方程修正方法,可获得地球自转影响下空间基线解析计算方法;进一步提出基于半长轴修正的线性时变基线设计方法,可应用于SAR层析任务.针对远距编队,提出全局可测约束下最小定位精度系数准则,可实现具有最佳视角组合的远距编队设计,实现三维形变反演任务.最后,仿真并分析了伴随分布式GEO SAR编队各功能的系统性能,包括基线的日变化、高度向分辨率和典型观测区域的三维形变反演精度等.

固定翼无人机编队构型与通信拓扑优化

本文研究了考虑攻防对抗态势与最小信息流要求的固定翼无人机(unmanned aerial vehicles,UAVs)编队构型与通信拓扑优化问题。建立了编队构型指标体系,给出了大规模集群分层编队构型设计模型和编解码方法,提出了基于态势场的队形模型,采用粒子群算法开展了队形参数优化。建立了通信网络拓扑效能指标体系,提出了通信代价模型,给出了基于Q学习的网络连通性控制算法。仿真算例验证了所提方法的有效性。

椭圆轨道编队构型保持控制方法研究

针对椭圆参考轨道的编队构型保持控制系统,以对地等张角绕飞编队为背景设计了相对轨道模型预测控制算法。首先,基于哈密尔顿-雅克比方程,推导了一组包含项摄动的相对运动模型。在此模型的基础上,结合具体的对地等张角编队任务,提出了一种构型保持的在线滚动优化的闭环预测控制算法,并将模型预测优化问题转换为在线求解二次规划问题,该算法能够较好地控制存在状态约束、控制约束等各种约束控制问题。最后,通过数值仿真验证该算法的有效性。

卫星编队构型设计可视化系统

为实现更自然的卫星编队构型设计,采用OSG(Open Scene Graph)技术建立了卫星编队飞行轨道构型设计过程三维显示场景。虚拟现实技术使抽象的理论设计可视化,实现了虚拟环境下的人机对话。基于HLA(High Level Architecture)下的RTI(Run Time Infrastructure)通讯协议平台,确保了交互通讯的流畅性。采用语音识别、数据手套、图像识别等多种人机交互模式,解决了鼠标键盘操作的枯燥性,让使用者产生沉浸感,满足了不同使用者的操作要求,降低工作人员的疲倦感。

基于DEM和GMTI的收发同置分布式InSAR编队构型设计

针对多星收发同置分布式干涉合成孔径雷达(InSAR),建立了基线的空间几何模型,基于高程测量(DEM)和动目标检测(GMTI)任务设计卫星编队构型。给出了多星收发同置分布式InSAR的基线参数与构型参数的转换关系,在任务对基线的约束下,以小于某指标的测高和测速误差的轨道运行时间为优化目标,设计构型参数并仿真分析,获得了三种不同编队构型的基线稳定性和测量误差。

LL-SST的重力场测量类空间圆编队构型设计

根据LL-SST重力场测量改进对编队构型设计的要求,基于平均轨道根数描述的编队运动学方程,对自然轨道的编队构型进行了地球扁率二阶摄动下的修正,设计了在J2长期项和J3长周期项影响下相对稳定的类空间圆编队构型,并得到卫星的初始轨道根数.仿真表明,30天的仿真时间内,设计所得构型满足重力场测量下编队的约束,且在J2长期项和J3长周期项摄动影响下,与考虑J2半长轴修正设计的空间圆构型相比,在径向和迹向上的漂移量分别减少了99.980%,99.976%,法向振幅发散减少了99.710%.

InSAR卫星编队构型的e/i矢量设计方法

根据编队合成孔径雷达干涉(InSAR)卫星的轨道特点和星间紧密编队的特性,引入e/i矢量概念,推导了用e/i矢量表示的编队卫星相对运动学方程,分析了在满足测量基线条件和星间距离条件下编队构型设计约束,并给出了能实现全球测量的编队构型设计结果。对获得的编队飞行轨道参数的数学仿真结果表明:设计的编队构型正确。

太阳系天体引力对空间引力波探测日心编队构型的影响分析

针对太极空间引力波探测任务,建立了太阳系天体引力摄动对日心编队构型影响的数学模型,利用仿真手段分析了太阳系中行星和月球、矮行星和小行星引力摄动对空间引力波探测日心编队构型的影响,提出了一种综合考虑小行星到卫星轨道距离和星等的二重筛选方法,能够快速估计小行星相对加速度的上界.分析了日心编队构型卫星初始相位角变化对太阳系天体引力摄动的影响.仿真结果表明,在行星和月球中,地球、金星和木星引力对空间引力波探测编队构型影响较大,行星和月球的引力叠加影响达到-2.78× 10^(-11) km·s^(-2).矮行星的引力叠加影响不大于1.25× 10^(-17) km·s^(-2),小行星引力的叠加影响不大于1.1180× 10^(-15) km·s^(-2).另外,编队卫星受到的太阳系天体引力摄动对编队构型卫星初始相位角的变化不敏感.

考虑驾驶仪动态特性的多飞行器编队构型控制方法

针对多枚飞行器的空间编队构型控制问题,综合考虑外部扰动和飞行器驾驶仪一阶动态特性,基于虚拟结构法设计了有限时间收敛的控制律。基于微分几何理论,对飞行器的非线性运动方程进行了精确的线性化处理,得到了解耦的双积分系统;建立了飞行器的跟踪误差矢量模型,采用滑模扰动观测器估计系统扰动,设计了一种新颖的二阶滑模控制律,可保证编队系统渐近收敛并在期望时刻形成最终构型;结合飞行场景,为满足对远距离目标的定位需求,给出了所需满足的空间构型约束条件,并得到了各飞行器在弹目视线坐标系下的期望终端位置矢量。仿真结果表明,所提控制方法可有效消除系统干扰和驾驶仪动态特性的影响,实现视线系下系统构型的高精度控制,蒙特卡洛仿真则进一步验证了控制方法的鲁棒性。

航空集群定位编队协调构型控制研究

研究航空集群定位编队协调构型控制问题,是集群作战研究的重要内容,其中确定集群协同无源定位的最优编队构型是难点问题。针对集群编队构型的研究现状,从影响航空集群作战效能的发挥层面入手,以航空集群定位编队协调构型控制研究为切入点,把无源定位探测距离和无源定位精度作为集群协同无源探测效能发挥的主要评价指标,量化分析了三机协同无源定位编队构型中的基线夹角β和基线距离l对定位精度的影响趋势。仿真结果表明,集群协同无源定位编队构型的优劣与基线的距离和基线之间的夹角有关;在忽略了三机与目标之间的高度差的情形下,对于三机成三角形无源定位构型,可以得到最优的三机无源定位编队构型。

多运动体分布式最优编队构型形成算法

针对分布式通信条件下的多运动体编队构型形成问题进行研究.考虑到个体的有限通信与感知能力,传统集中式求解算法无法适应实际需求,提出一种基于分布式交替映射凸优化的分布式时间最优编队构型形成算法,使得个体间仅依赖局部通信与局部计算实现编队构型的快速形成;将该问题建模为含有等式约束的分布式Minimax凸优化问题,提出基于虚拟等式约束函数的分布式交替映射凸优化算法实现求解;根据求解结果,各运动体采用RVO避障策略实现最优构型形成.针对含有100个运动体的最优编队构型形成问题进行仿真,验证了所提出算法的有效性.

基于CARTWHEEL构型的小卫星星座有效基线分析

编队小卫星有效基线分析是编队小卫星SAR系统性能分析的关键,提出了针对Cartwheel编队构型的精确基线分析方法。将小卫星星座绕飞轨迹Hill方程与地球自转相结合,综合考虑两者的影响,精确的对Cartwheel构型星座有效基线进行仿真计算,并且对星座在不同轨道位置的基线偏差进行了分析。

基于大气阻力的卫星编队沿航迹方向的变结构控制

分析了大气阻力对近地轨道卫星轨道参数的影响,用变结构控制设计了基于大气阻力的编队构型沿航迹方向的控制。将中心的漂移距离和编队卫星的面质比之差作为输入量,设计滑模面进行编队控制,用极限环方式消除了在滑膜面附近的频繁切换。仿真结果验证了该控制律的正确性。

多航天器编队在轨自主协同控制研究

提出一种基于信息一致性的分布式协同控制策略,该策略可自主实现多航天器编队的构型建立、保持与整体机动。在该策略中,编队内各航天器均具有局部的分层控制结构:参考点一致性估计层根据各航天器初始状态与编队内信息拓扑,协商估计出多航天器编队整体系统基准参考点;协同制导层根据编队整体系统模型预测控制方程,采用并行计算方式,规划各航天器从初始状态到期望构型的期望重构机动路径;协同控制层采用基于二阶一致性算法的协同反馈控制律,使各航天器彼此协同地跟踪期望路径和整体机动参考信息。仿真结果表明:当信息拓扑中存在最大生成树时,该策略能够实现多航天器编队构型建立、保持与整体机动的协同控制,并具有较好鲁棒性。

航空集群作战编队优化控制研究

航空集群作战是未来空中作战的主要形式,对集群进行有效控制可以最大程度地发挥集群作战效能,形成特定的作战编队并保持队形稳定是集群控制的难点问题。针对上述问题,利用图论相关知识和多智能体系统一致性理论对集群智能系统的运动一致性进行了分析,在考虑集群执行单任务与多任务两种不同的情况下分别建立了集群运动的一致性控制模型,并对控制的稳定性进行了分析。仿真结果表明,集群可在控制模型的作用下渐进达到预设的编队构型并保持稳定。

强扰动环境下水下滑翔机编队稳定性分析

随着海洋观探测技术的发展和日趋成熟,单一水下无人潜航器的应用已不能满足广域数据采集或军事探测任务的需求,因此,水下无人潜航器的编队协作成为发展的必然趋势。水下滑翔机作为一种依靠浮力驱动的新型水下无人航行器,具有广泛的军民应用前景。然而,在受到外界攻击或强气象条件扰动时,水下滑翔机编队必须进行动态变换以实现稳定构型,因此本文针对水下滑翔机编队在强扰动环境下多种构型的稳定性进行分析。首先,对目前国内外水下滑翔机编队应用的现状进行回顾,并介绍水下滑翔机的稳定性研究进展。其次,考虑编队队形的动态变化,提出一种基于复杂网络理论的稳定性评估方法,采用领航-跟随者对编队分别建立有无扰动下的运动学模型。最后采用实例分析,分别进行3种水下滑翔机编队构型稳定性的研究,验证了不同编队构型在强扰动环境下的稳定性。

空间摄动对InSAR卫星编队的影响研究

针对干涉合成孔径雷达(InSAR)编队卫星的特点,分析了地球形状、大气阻力、第三体引力和太阳光压等空间摄动力对卫星轨道的影响,并仿真讨论其对编队构型的影响。结果表明:地球形状摄动和大气阻力摄动是引起InSAR编队构型变化的主要摄动因素,在这些摄动力的作用下,编队构型的变化主要是沿航迹向的累积变化和编队椭圆的空间指向变化两种,并给出了编队构型随时间的变化量。研究为编队保持控制提供了参考。