基于序列图像可观测性分析的航天器自主导航方法

未来我国将开展探月工程四期、火星采样返回、小天体探测等一系列深空探测活动,软着陆过程面临环境更复杂、地形更未知、时间更紧急等全新挑战。由于光学敏感器提供的序列图像包含天体表面岩石、陨石坑等丰富陆标特征信息,是软着陆自主导航的理想信息来源。但是,深空探测器上计算资源有限,无法处理大量图像信息,必须对序列图像中的丰富陆标特征进行优选。陆标优选时通常以可观测性分析量化得到的可观测度来衡量陆标特征对导航精度的贡献程度,但传统方法只观测单一时刻局部最优陆标,在重新优选陆标前多次连续观测相同陆标时会因可观测度逐渐降低而影响导航精度。本文首先建立了行星着陆段序列图像自主导航系统模型,构建了针对多次观测的序列图像可观测度指标,证明了其为凸函数并给出了最小值点所在区间,指导优选多时刻可观测度最高的陆标。经过数学仿真验证,基于序列图像可观测度的陆标优选比传统单时刻优选方法的导航精度更高,可为深空探测着陆段的序列图像自主导航提供理论支撑。

捷联惯导快速传递对准可观测性分析与机动方案设计

基于“速度+姿态”的快速传递对准对实际失准角的估计精度和速度与载体机动密不可分,尤其在大失准角条件下非线性系统观测性分析和可观测度定义仍没有统一方法。首先,在基于量测失准角快速传递对准线性模型的基础上,通过构造可观测性矩阵,分析得出状态量可观测的充分条件;然后,通过构建大失准角条件下快速传递对准非线性数学模型,从全局可观测性的角度出发,系统地推衍非线性系统可观测性与载体机动之间的关系,为载体机动方案的选取提供理论基础;最后,通过仿真实验验证理论分析的正确性。仿真结果表明:在摇摆机动条件下,无论是小失准角还是大失准角,主、子惯导载体的实际失准角在10 s内均可达到约3’的精度。

基于潮流定解条件的电力系统状态估计可观测性分析

提出了一种新的形成电力系统状态估计可观测岛的拓扑分析方法。该方法利用内网等值的思想隐去支路量测岛内部节点,将仅由边界节点和它们之间的岛际互连支路构成的若干待并网作为分析对象,总结了关于度1、度2节点的特殊合并规则。当量测岛互联成网状时,提出了利用潮流定解条件判定量测岛是否可合并的简单规则。文中对所提规则进行了验证并对所提方法的有效性进行了讨论。

电力系统状态估计可观测性分析中关于量测岛合并的理论分析

分析了电网量测岛的特点和可观测性的概念。在此基础上,根据电路理论中的两个基本性质,得出了量测岛内最多只含一个复电压未知状态量的基本结论,并由此给出了量测岛间可合并的理论依据。出于简化网络分析的目的,提出了内网等值和节点分裂这两个合并分析时的基本处理手段,为新的可观测性拓扑算法的提出做了理论上的准备。文中所提量测岛合并的理论依据得到了实际系统的验证。

基于双领航者的多AUV协同导航系统可观测性分析

针对双领航自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)协同导航系统编队设计对系统可观测性的要求,采用非线性系统李导数可观测性分析方法以及矩阵条件数分析理论对基于相对距离量测的双领航者协同导航方法的可观测性进行了定性和定量分析,得出了系统可观测性大小取决于主从AUV间的距离向量以及从AUV速度向量之间的相互关系。针对从AUV处于运动、静止两种状态,分别采用扩展卡尔曼滤波技术对双领航者协同导航算法进行了不同航迹条件下的仿真,对系统的可观测性条件进行了验证。

单脉冲星自主导航系统可观测性分析

研究了基于单脉冲星的卫星自主导航系统中的重要理论问题——可观测性问题.建立了系统的状态方程和量测方程,根据扩展卡尔曼滤波对系统模型进行线性化处理的特点,采用分段式定常系统(PWCS)的可观测性分析方法分析系统的可观测性,经理论分析可知,系统的可观测矩阵接近奇异,可观测性较差.仿真结果表明:利用单颗脉冲星的量测信息能够修正卫星轨道动力学预报的位置和速度估计值,在短期内可将其误差控制在一定的范围内,但是很难实现长期的卫星自主轨道保持.

单信标测距AUV水下定位系统观测性分析

针对基于单信标测距的自主水下航行器(AUV)定位系统观测性问题,建立AUV三维空间运动学模型,选取实物平台常用的深度、偏航角和俯仰角作为基本观测量辅助距离信息进行水下定位,利用基于Lie导数的非线性系统观测性秩判据分析不同辅助测量值下系统的可观性以及控制输入和运动路径对可观性的影响。研究结果表明:满足定位系统可观测的最简量测组合为距离值和偏航角,含有偏航角的辅助量测组合均使得定位系统可观测,系统控制输入和运动路径的变化会导致可观性发生变化。

被动测距的可观测性分析和滤波方法

首先建立运动单站被动测距的数学模型,然后分析被动测距的可观测性,并针对实际应用提出了相应的滤波估计方法。可观测性问题分析了具有不同运动特征的目标在仅有方位角和俯仰角测量时能计算位置坐标的充分条件,将被动测距归结为典型的间接测量问题。由于直接测量的方位角和俯仰角与位置坐标的关系构成非线性测量方程,利用离散状态空间模型的分析方法,将被动测距描述为非线性状态估计问题。推广卡尔曼滤波、粒子滤波是求解被动测距非线性状态估计的常用方法。模拟了实际的被动测距模型,并用推广卡尔曼滤波和粒子滤波方法估计目标的位置坐标序列。模拟实验表明:这两种方法在运动单站被动测距中是有效的。

考虑电流幅值量测的变电站零阻抗网络拓扑可观测性分析

网络可观测性分析是电力系统状态估计的重要组成部分。针对变电站零阻抗网络的特点,提出一种面向零阻抗网络的拓扑可观测性方法,并考虑由于引入电流幅值量测而导致的多解问题。根据基尔霍夫电流定律,给出确定开关支路具有唯一潮流解的实用化判定规则。同时对可观测性分析方法的步骤进行详细设计,并通过算例展示其实现过程,验证该方法在完成可观测性分析的同时对量测部署问题具有指导意义。

基于表计配置的配电网可观测性分析

给出了一种配电网可观测性分析的定义,即使用典型负荷模式描述负荷变化规律,且每个负荷用户被赋予不同的表征指标,在变化的网络结构下,支路上优先配置最小数目的功率量测表计,利用量测方程求解典型负荷模式,从而获得各节点负荷,配电网可观测;有效的网络分割方法分割期望网络结构的加权树来优化表计配置,使得在量测方程可解的前提下,量测区域用户的指标均衡。算例进行了可观测分析和表计配置的测试。所提出的可观测分析思路能够折衷考虑经济性和运行需要,而表计配置也为配电网自动化改造提供一个思路。

基于降阶雅可比矩阵的电力系统状态估计可观测性分析方法

提出了一种新的基于降阶网络雅可比矩阵的电力系统状态估计可观测性分析方法。该方法利用潮流岛内未知状态量最多是一个复电压的特性,提出了潮流岛状态变量的概念,在降阶网络雅可比矩阵基础上成功地实现了基于潮流定解条件的潮流岛合并。该方法减少了未知状态变量的数量,从而简化了循环判断过程和便于程序设计。并通过实例对所提出的方法进行了有效性检验。

基矢量抽取法及可观测性分析

提出进行可观测性分析的基矢量抽取法和基于增强系统健壮度的补充测点配置算法。针对实时监控的需要，又提出了应用基矢量抽取法的快速可观测性分析及伪测量选择算法。

基于能观测性分析的机器人EKF-SLAM算法

针对传统EKF-SLAM算法中存在状态估计不一致的问题,从系统能观测性角度分析,提出一种增加观测性约束条件的算法,利用补偿矩阵U最优化求解约束条件,得到新的线性点,并通过优化系统的雅克比矩阵重构系统能观测矩阵,使得EKF-SLAM系统与非线性SLAM系统观测方程能观矩阵的秩保持一致.结果表明,所提出算法在状态估计的精确性和协方差一致性方面明显优于传统的EKF-SLAM算法,研究工作和结论对车辆自主驾驶有一定的参考价值.

基于声强的水中体积目标被动定位的可观测性分析

根据体积目标的3个特定部位的辐射噪声频率特性的不同,建立了在两种不同运动条件下的基于声强的观测模型,分析了两个系统的可观测性,为体积目标的3个特定部位进一步进行定位和跟踪提供了理论依据。

基于条件数理论的高维组合导航系统可观测性分析

为了更好地完善惯导系统误差补偿和抑制技术,对SINS/GPS组合导航系统进行可观测性分析,从而对系统误差进行补偿,提高导航精度。利用分段线性定常理论得到系统的提取可观测性矩阵,再计算该矩阵的条件数,根据条件数分析在不同量测及不同机动方式下系统的可观测性。针对SINS/GPS组合导航系统,建立高维数学模型,设置复杂运动轨迹,比较不同量测下误差源的可观测性。仿真结果表明:与机动方式的激励作用相比,增加量测能更有效地提高系统的可观测性。

可观测性分析在组合导航中的应用

文章采用分段线性化和奇异值分解的方法对运载火箭飞行全程组合导航的状态变量进行可观测性分析,并进一步对可观测变量的可观测程度和变量之间的相互影响进行了分析。为组合导航滤波设计和火箭弹道设计提供了一定的参考。经分析得出,速度位置始终可观测,且收敛较快;其它变量在某些条件下是可观测的,由于存在相互影响,而且变量的可观测阶数较高,要做到收敛需要更加严苛的条件,在能够滤波时需要的收敛时间也比较长。

机动辐射源单站无源定位可观测性分析

针对采用非线性较强的脉冲到达时间差、观测角等参数的固定单站无源定位跟踪系统，对辐射源作机动运动的可观测性进行分析，得到了与辐射源作匀速运动相同的可观测条件。通过计算机仿真验证了结论的正确性。

基于DVL信息辅助下的捷联惯导初始对准可观测性分析

在利用DVL与SINS进行初始对准时,一般将系统误差及相关器件的误差作为状态变量进行滤波估计,状态估计的精度及速度决定着系统初始对准的速度及精度,而状态估计的精度及速度又与系统的可观测性有很大关系,当被估计的状态不可观测或者可观测性较低时,将状态估计值反馈给系统会造成系统的精度下降甚至发散,因此需要对系统状态变量进行可观测性及可观测度的分析,针对以上问题,论文构建了基于DVL信息辅助下SINS初始对准的系统模型,利于基于系统可观测矩阵奇异值分解(SVD)的方法分别对模型在静止和转动状态下进行可观测性分析,结果表明转动状态下能激励惯性器件的各误差参数,使基于DVL信息辅助下SINS初始对准的系统模型可观测。

惯性导航系统动基座传递对准可观测性分析

针对机载武器惯性导航系统动基座传递对准问题,以系统原始的非线性模型为分析对象,根据可观测性的基本定义,将系统可观测性问题转化为判断系统状态量是否存在唯一解。通过分析系统各状态量的解同载体运动方式之间的关系,得出了系统各状态量可观测的充分条件,并设计了相应的机动方案。结果表明,载体在不同加速度下的平移运动可增强惯性器件误差、安装误差角和姿态的可观测性,而载体的旋转运动则有助于提高杆臂的可观测性。与传统方法不同,该方法分析过程简洁明了,且物理意义明确,为合理规划载体的机动方案提供了理论指导,同时,也为其他非线性系统的分析与设计提供了新的思路。最后,采用扩展Kalman滤波(EKF)对系统进行了仿真,仿真结果验证了理论分析结果的正确性和有效性。

电-气综合能源系统状态估计可观测性分析

状态估计对于电-气综合能源系统的运行监视、优化调度等起着至关重要的作用。在进行状态估计前,需根据现有的量测配置对系统进行可观测性分析,以保证状态估计的正常运行。由于2系统的时间常数差别较大,一般由微分代数模型来描述两者的耦合系统。首先通过有限差分法将描述天然气动态特性的偏微分方程差分化;在此基础上对电-气综合能源系统进行可观性分析,得到了电-气综合能源系统可观测性分析的判定依据与分析步骤。最终通过算例分析验证了所提方法的有效性。