多无人机自主编队协同制导技术的概念、设计和仿真(英文)

现代防空技术的迅速发展使得制导武器的突防效果大大下降,多飞行器自主编队协同制导技术成为提高未来制导武器作战效能的关键技术之一。定义了高动态自主编队协同制导技术的概念体系;提供编队队形生成、队形保持和控制、协同导航与航路规划、目标协同捕捉与动态分配、协同末制导等关键技术的框架结构和设计方法;并设计了适用于自主编队协同制导技术的无线自组织网络结构和组网协议,实现高动态环境下信息的互联、互通和互操作,且节点具备自主管理能力和容错能力;通过所构建的多 UAV 自主编队协同制导验证演示系统验证表明,系统的框架结构和设计方法有效,系统性能满足技术指标要求。

双星编队星座相对状态自主确定

针对 NASA的 ST- 3中自主编队飞行的双星星座 ,研究在无 GPS信号覆盖区域 ,利用星载类 GPS的伪距和载波观测数据自主确定双星星座之间相对位置与钟差的问题。文中首先给出了系统的数学模型 ;然后研究利用卫星姿态机动提供的几何信息 ,进行单差整周模糊度初始化的问题 ,讨论了最优化的卫星姿态机动方案 ;最后给出了仿真协方差分析结果。

导弹自主编队综合作战效能评估方法

针对导弹自主编队协同制导与控制技术的综合作战效能评估问题,引入了协同制导与控制能力等级(CGCL)的概念,并结合层次分析法(AHP)和ADC效能评估模型建立了导弹自主编队综合作战效能的分析模型,分析了导弹自主编队典型作战想定下导弹编队成员的协同突防概率、交班成功率、命中概率和毁伤概率,分析过程充分考虑了导弹自主编队作战的能力和特点,并在搭建的导弹自主编队攻防对抗综合仿真验证系统上分析和验证了其有效性,为定量地分析导弹自主编队的综合作战效能提供了快速可靠的计算方法。

多小型飞行器自主编队姿态协同控制方法

针对多小型飞行器空间自主编队姿态协同飞行任务,研究了空间多小型飞行器自主编队在空间干扰影响下的姿态协同控制问题.考虑到编队无法获取外界参考信息,需要进行自主编队的情况,提出一种编队姿态协同控制方法.首先,提出的控制方法基于小型飞行器绝对姿态信息实现编队姿态协同,能够适应多种编队通信拓扑结构,并且对于外干扰力矩具有较强的鲁棒性;然后,根据Lyapunov定理,从理论上证明了闭环系统的稳定性和收敛性;最后,通过数值仿真验证了理论分析结果及所提出控制方法的有效性.研究结果表明,所提出的控制方法能够在干扰力矩作用下,利用小型飞行器绝对姿态信息实现编队姿态协同,且能够适应多种编队构型.

基于OPNET的导弹自主飞行编队通信网络建模研究

针对导弹自主飞行编队协同制导与领航-跟随控制模式对嵌入式、自主式、高可靠、强实时性专用无线通信网络的需要,研究并提出了基于自组网的编队协同制导通信网络方案和节点体系结构,实现了一种主从网络路由协议和数据链路控制机制,建立了基于OPNET的仿真模型,并仿真验证了方案和协议的可行性。

飞航导弹高动态自主编队协同控制系统的建立与仿真

为了提高多枚飞航导弹自主编队低空突防综合作战效能,建立了由编队队形控制及编队离入队管理等模块组成的高动态自主编队协同控制系统,有效地解决高动态自主编队下导弹编队队形动态变化、编队管理复杂、编队导弹出现网络故障或机械故障等问题。半物理仿真系统实验结果表明,飞航导弹高动态自主编队协同控制方法满足编队实时性、自主性和高动态性要求。

导弹自主飞行编队的互定位方法研究

针对领航．跟随编队飞行控制模式以及领航弹具有惯导系统和精确目标传感器而跟随弹只有惯导系统的编队特点，研究采用特定的互定位方案和弹载传感器，解决导弹自主飞行编队的互定位问题，并仿真验证了导弹编队的互定位方法和方案的可行性．

飞行器自主编队鲁棒控制系统的设计

针对实际超声速飞行器的非线性动力学和运动学模型,主要研究多飞行器自主编队控制器的设计.首先,基于由蒙特卡洛估计和遗传算法构成的随机鲁棒设计方法,对于单飞行器提出了一种实用有效的过载反馈控制方案.然后,针对于单飞行器的内环稳定系统和Leader-Follower模型,提出一种三维空间内自主编队随机鲁棒控制方法.最后,通过对该型飞行器进行全弹道六自由度非线性时变控制系统仿真,验证了这种编队方法的可靠性和实用性.

飞行器自主飞行编队领航者重选方法建模研究

领航者重选方法是飞行器编队飞行控制和管理系统的核心技术内容之一,它是用于确定在飞行器自主飞行编队的领航者失效或完成使命后的一种新领航者选举机制。根据编队协同制导与队形控制的需求,给出了基于最小身份识别号(LID)和最大连接度(MAXD)的两种领航者重选算法LRA_L和LRA_M,并根据这两种算法建立了基于OPNET的仿真模型,最后仿真验证了领航者重选方法的可行性。

自主运行卫星编队构形重构控制策略仿真分析

采用模糊逻辑控制器与LQR相结合的控制策略来解决自主运行卫星编队构形重构问题。首先,基于Hill方程,利用LQR理论设计控制器;然后,设计模糊逻辑控制器,利用编队运行中的导航信息、通信信息以及任务优先级信息,对控制器增益进行模糊调节。该控制策略可以有效实现编队构形重构,且能在燃料消耗量与任务优先级和构形差异之间达到折衷。仿真结果表明了方法的有效性。

基于智能突现的无人机群自主编队控制研究

针对无人机群自主编队中存在的控制器设计复杂,信息交互数据量大的问题,提出了一种利用智能突现和分布式通信的新型自主编队策略。建立了无人机群以及单个无人机的运动模型。为每个领航无人机设计比例导引制导律,为每个跟随无人机设计跟踪控制方法以实现多Leader-Follower(主从式)编队形式。通过仿真对编队方法的有效性进行了验证。

一种多飞行器自主编队飞行智能仿真系统研究

为缩小多机自主编队飞行理论研究与实际应用的差距,加快导航与控制系统从设计到产品实现的过程,提出了一种用于多飞行器自主编队飞行的智能仿真系统。该仿真系统采用多通道信息采集设备、多通道星座模拟器、协同飞行仿真控制设备,将真实飞行设备接入闭环仿真,有效验证了导航与控制系统方案的可行性。该仿真系统中,用同一时钟模块控制多通道星座模拟器各通道运算周期和动力学平台的运算周期,解决了两者运行时间不一致的问题,有效降低了仿真系统的误差,增强了仿真的真实性。基于专家经验自主发送指令、判断状态和故障诊断,实现智能化测试,提高仿真效率。应用实例表明,自主编队飞行仿真结果与真实飞行结果一致,证明了该仿真系统设计方案的有效性。同时,基于该系统进行飞行产品的软件、硬件、设备同步开发,缩短了研发周期和成本。

基于CFD的协同AUV编队队形研究

为了研究自主水下航行器(AUV)编队协同航行的减阻效果,对3个典型编队开展水动力性能研究。采用计算流体动力学(CFD)对3艘AUV以串列队形、并列队形和三角队形等开展水动力计算。通过改变各队形下AUV之间的间距,找到最佳队形间距位置,得出对各AUV的阻力影响。利用多目标遗传算法(MOGA)对三角队形进行优化,得出阻力最小的航行间距。结果表明:在串列队形中,当横向距离为3.80m和3.50m时,系统阻力达到最小;在并列队形中,系统阻力随纵向距离增大而减小,但系统内各AUV相比单体AUV无法获得阻力收益;在三角队形中,当横向距离为2.46 m、纵向距离为1.21 m时,系统阻力达到最小。研究成果可为多AUV编队航行提供一定参考。

切换拓扑下多自主水下航行器编队一致性控制

针对含有通信时延的多自主水下航行器系统的控制问题,本文提出了包含相对位置信息以及速度阻尼器的一致性控制算法。通过反馈线性化方法将多自主水下航行器运动学模型和动力学模型转化为二阶积分器形式。对含通信时延的系统构造Lyapunov-Krasovskii泛函,利用积分不等式和线性矩阵不等式理论,得到多自主水下航行器系统实现一致的充分条件。研究表明:仿真实验证明了所提控制算法的有效性,并验证了在随机切换拓扑和编队队形变换时此控制协议下的多AUV系统具有良好的鲁棒性和稳定性。通过设置位置层和速度层通信拓扑,减少速度和位置的耦合,并提高收敛速度,多自主水下航行器系统可以收敛到期望位置。

星间相对测量在三星编队中的应用

以NASA新千年计划中的深空计划3为背景,使用星载类GPS的伪距和载波观测数据,研究利用编队卫星间相对测量,高精度自主确定三星编队星座相对状态的有关问题;研究星间相对测量各种可能的测量方案和可能达到的精度,验证这种星间相对测量技术是否能够满足深空计划3的系统要求。首先建立了三星编队星间相对测量系统的数学模型,然后利用星载高精度伪距和载波观测信息,对各种可能的测量方案进行仿真协方差分析;研究利用卫星姿态机动提供的几何信息,进行单差整周模糊度初始化的问题,讨论了卫星姿态机动方案;最后针对每一种测量方案给出了仿真结果和相关的结论。

基于主从式水下自主航行器移动组网的合作目标定位方法

利用水下自主航行器(AUVs)协同编队可以在未知水域中实现对目标的定位。针对AUV导航误差导致定位精度降低问题,该文提出一种基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的多AUV编队融合观测协同目标定位算法。AUV编队由一个装备有高精度惯性导航系统(INS)的领航AUV以及多个装配有低精度INS的跟随AUV组成。从跟随AUV中选取参考AUV和待测AUV,通过设置定位周期和观测间隔来分别对其进行不同的观测。参考AUV作为中转,接收来自高精度AUV位置参数后,向待测AUV传递自身位置参数,利用扩展卡尔曼滤波器完成对AUV集群的协同位置修正。仿真结果表明,该方法AUV集群自身定位精度高且误差随时间积累小,对领航AUV数量需求少,能够实现水下目标低功耗、远距离定位。

美国CODE项目推进分布式协同作战发展

美国国防预先研究计划局(DARPA)为增强现有无人系统(无人机、导弹等)能力,使其更好适应拒止环境作战,发展了"拒止环境中的协同作战"(CODE)项目。通过对相关资料的梳理及分析,首先给出该项目的发展背景、愿景、目标等,然后介绍了该项目的研究内容、应用场景,接着重点阐述了项目涉及的重点技术、评估指标及实现情况,最后分析了该项目在分布式作战中的作用。

基于异步通信链路的AFF星间基线测量技术研究

星间基线的精密测量是自主编队航天器(AFF:Autonomous Formation Flyer)实现多星协同任务的关键技术。基于CCSDS Proximity-1协议,提出一种在AFF星间全双工通信链路中利用双向异步传输帧实现非相干扩频测距和时间同步的方法,给出算法的计算公式和理论误差模型。技术验证系统的实验结果表明提出的方法性能指标先进、信道资源利用率高、功能集成度高。

无人机自主编队制导律设计

自主编队是无人机集群作战的关键技术。提出了一种基于视线的三维无人机双机与多机自主编队方法。制导律采用横纵分离的经典PD控制方式进行设计,建立了加入制导律的双机、多机的质点相对运动学模型,通过求解该模型在平衡点处的雅克比矩阵的特征根,来判断制导律的稳定性。仿真结果表明:设计的制导律能有效导引无人机构成编队,并保持编队飞行。

AFF组网通信与测距/时间同步的新体制研究

研究了自主编队航天器(AFF,autonomous formation flyer)的组网通信与测距/时间同步体制,提出了一种基于频分+码分组合多址模式和CCSDSproximity-1协议实现AFF组网通信,利用通信链路的双向异步传输帧实现AFF的任意两颗成员星之间的精密测距与时间同步的新方法。重点讨论了FDMA/CDMA组网体制下星间双向异步传输帧非相干扩频测距与时间同步的技术原理、计算公式推导和测量误差分析,给出了星间异步通信与测距技术的全功能地面实验系统设计、实验结果及其分析讨论,实测结果获得了满意的性能指标。