无人驾驶直升机遥测系统设计及其实现

无人驾驶直升机要求其遥测系统能够在直升机高机动飞行的情况下确保遥测数据的可靠性;地面遥测设备要求简洁、高效、可靠以适应车载移动地面站安装使用.论述了无人驾驶直升机的参数测量、通信链路保障、以及遥测数据处理的设计与实现方法.该系统已经参加了多次外场试飞试验,实践证明其工作稳定可靠.      

无人直升机多天线通信信道建模及性能分析

在单天线航空信道模型的基础上,提出了一种无人直升机多天线通信信道的统计模型.分析了信道的时延扩展、多普勒扩展和角度扩展特性,研究了机身对天线的遮挡效应及多天线信号之间的干涉问题.根据模型特点建立了一种准确有效的仿真模型,给出了延迟功率谱、空间相关性、多普勒功率谱和机身遮挡效应的仿真方法.利用该模型在途中飞行、任务区盘旋和起飞/降落这3种飞行状态下对单天线和多天线信道的误码性能进行了对比仿真分析,验证了差分空时编码在无人直升机多天线通信系统中的良好性能.该模型可用于无人直升机多天线通信系统的调制和编码技术研究.     

直升机两步法抗饱和控制

在执行机构饱和约束下,研究了直升机的全姿态控制和速度跟踪问题.提出了一种能适用直升机这样的开环不稳定系统的两步法抗饱和控制方法,即第1步在不考虑饱和约束下设计了直升机H_∞回路成形内外回路控制器,内回路实现直升机全姿态控制和通道解耦,外回路实现速度跟踪;第2步考虑饱和约束,设计抗饱和补偿器弱化饱和引起的闭环性能退化.证明了该抗饱和控制系统的L₂稳定性,并通过回路变换和乘数理论减少其保守性.对UH-60黑鹰直升机的仿真试验表明了该方法的有效性.      

一种通用红外成像跟踪实验装置的设计

介绍了一种先进的红外成像跟踪实验装置的研究与设计实现,给出了系统结构、主要性能参数、跟踪算法设计以及试验结果.在成功设计含双微处理机的并行图像识别跟踪器基础上,针对不同类型的目标开发了不同的跟踪算法以及噪声生成算法程序.该实验装置能模拟多种红外跟踪系统,可安装在直升机上对多种目标进行搜索、捕获和跟踪试验,试验恶劣天气、烟雾以及改变空间分辨率等系统参数对图像识别与跟踪的影响,也可进行各种干扰试验,以检查干扰效果.经试验验证,该系统有很好的应用效果.这些试验为模拟实验的研究提供大量原始素材,将为红外图像跟踪系统的设计和使用提供重要数据.      

多维构架式天线展开机构的展开力学性能测试系统设计

卫星天线是卫星通信的关键部件. 为保证天线在轨可靠展开, 必须在地面对天 线展开机构的力学性能进行测试. 针对该问题, 提出一种多维构架式天线展开 机构力学性能测试系统, 模拟空间微重力和高低温环境下天线的展开过程并在 展开过程中对其进行加载测试. 根据测试系统方案及工作原理, 设 计了三自由度的重力补偿机械臂和加载装置, 并对展开机构的加载系统进行了 建模和仿真. 分析表明, 该测试系统重力平衡误差小于2% FS (Full Scale), 力矩加载误差小于2%, 满足展开机构测试要求. 该系统的提出使得展开机构测试从理论仿真提 升为全物理仿真, 对于保证卫星在轨可靠通信具有重要意义.      

复杂动力学模型下星载天线跟瞄控制技术研究

针对星载天线动力学复杂这一问题,从天线系统刚柔耦合动力学建模、指向跟踪控制以及振动抑制等方面研究了柔性星载运动部件的指向控制方法。首先,通过描述系统几何拓扑关系建立系统运动学方程,从而简化动力学建模过程;之后,利用假设模态法,对天线反射面挠性进行建模;最后,将拉格朗日方程与挠性关节模型相结合,从而建立了星载天线非线性刚柔耦合动力学模型。在以上复杂动力学建模的基础上,采用分层设计的思路进行了控制策略设计：先运用基于计算力矩法的滑模控制器得到不考虑挠性关节的耦合控制律,从而保证卫星基体的稳定性以及天线挠性反射面的振动抑制;再使用反步法对挠性关节进行控制,实现对天线反射面的指向精度控制。最后,讨论了动力学参数不确定性对系统跟踪指向控制的影响并采用数学仿真的方式验证了相关动力学模型与控制算法。仿真结果表明该方法能较好地实现对星载天线的指向跟踪控制以及振动抑制,提高星载天线的动态指向精度。     

GPS在气象火箭遥测跟踪上的应用

利用GPS全球定位系统、天线云台和宽波瓣天线组成的跟踪系统, 研究了接收位置信息与跟踪之间的时间差, 气象火箭理论弹道误差导致的中断跟踪,气象火箭探空仪分离后至初次定位前的跟踪, 天线云台转到359°位置后反转359°及跟踪过程中跟踪中断后的继续跟踪等关键问题,成功实现了气象火箭探空仪的遥测跟踪. 该跟踪系统在子午工程气象火箭试验中得到较好的应用, 此种跟踪方式相比传统雷达跟踪方式具有体积小、重量轻、操作简单、成本低、机动性强、跟踪可靠性强等诸多优点.      

无人直升机自主着舰系统设计及仿真试验

设计了一套包含视觉目标识别单元、目标跟踪器、甲板状态跟踪器和模糊逻辑控制的无人直升机自主着舰系统.视觉系统通过对采集的图像预处理提取出可能的甲板标识区域,然后对此区域计算其仿射不变矩特征集合,对得到的特征集经过模糊识别技术实现对甲板降落区域的识别,并根据矩特征集计算出甲板运动状态信息.目标跟踪器采用了卡尔曼滤波技术,在目标二阶运动方程的基础上设计了跟踪算法.甲板运动状态跟踪器用于在无人直升机的降落期间实现对甲板尤其是触舰瞬间甲板的纵摇、横摇及浮沉状态的预测,该跟踪器采用了改进的卡尔曼多步预测算法.设计了基于模糊逻辑的比例积分控制器,由多个并行的对特定任务实施控制的子控制行为构成.仿真试验结果验证了所提出的算法.在仿真试验中,无人直升机能够正确的识别甲板目标区域,实现了对运动舰船在二维水平面内的跟踪,甲板状态跟踪器能够预测未来1~5个周期内甲板状态,控制器基于目标信息和甲板状态能够正确地引导无人直升机实现安全着舰.     

无人直升机系统CAN总线应用层协议设计

为了将CAN(Controller Area Network)总线应用于无人直升机系统,设计一种具有通用性的CAN应用层协议.针对CANaerospace V1.7版协议在无人直升机系统应用的数据定义、测控带宽等问题进行改进.重新设计定义了基本帧格式和数据标识号,提出一种适用无人直升机系统应用的CANauh协议.为了对CANauh协议进行验证,以一种基于CAN总线的无人直升机航空电子系统为对象进行CAN总线数据内容、调度表、总线负载的设计和CANoe数字仿真.CANauh协议在10 ms基本周期的总线负载为40.83%,数据可扩展定义空间为67.4%,测控系统带宽具有66.7%的占空比,满足无人直升机系统的指标要求.CANauh协议可以促进CAN总线在无人直升机系统中的应用,避免重复性设计,增加各个系统间的互操作性,降低开发维护成本.      

敏捷数字电离层测高仪系统研制及初步观测

在小型天线和低发射功率条件下，保证电离层测高仪观测数据质量和提高观测速度一直是电离层垂测的技术难点.针对这一问题，基于新近发展的高速数字芯片和射频器件，采用窄带跟踪滤波、脉冲压缩、编码复用和天线均衡匹配等技术，设计和研制一种敏捷数字电离层测高仪.该系统采用数米高的小型收发天线和便携式主机系统，配置任意频率扫描方式频高图、高分辨率多普勒频高图和斜向探测等多种工作模式，具有可流动观测布站、系统参数灵活捷变及适合快速电离层扰动探测等能力.敏捷数字电离层测高仪为组网观测获得大范围电离层时空变化和电离层快速扰动及传播提供了一种有效的探测手段.      

无人机定向天线自跟踪系统研究

为了满足无人机(UAV)远距离通信的需要,设计研制了以无人机位置信息为引导的地面定向天线自跟踪系统。基于实时获取定向天线载车位置、速度、方位和俯仰角等信息,实现了定向天线在运动中对目标进行自动跟踪的能力,提高了系统的机动性和隐蔽性。针对目前利用2点位置来计算目标角的方法存在需要通过相对位置才能确定实际目标角的不足,提出了一种不需要考虑2点相对位置就能直接计算出目标角的计算方法,为工程应用带来了方便。针对定向天线地面载车在机动时GPS信号容易受干扰,从而造成跟踪目标丢失,以及因无人机位置信息更新频率较低而造成的跟踪系统运动抖动、跟踪误差较大等问题,提出了一种基于速度对位置进行预测平滑的控制策略,有效解决了以上问题,并显著提高了跟踪精度。设计研制了定向天线自跟踪系统的软硬件,并进行了测试,结果表明:研制的定向天线具有机动跟踪能力和较高的跟踪精度,能满足无人机对定向天线自跟踪的需要。      

星载天线展开过程立体视觉动态测量技术

介绍了基于立体视觉原理的星载天线动态展开过程测量方法，通过基于标准长度的标定方法、双目立体视觉交会坐标解算和动态多目标点识别跟踪等关键技术的研究，实现了对可展开天线各关节点在展开过程中的三维运动轨迹的测量，并实现了试验验证。试验结果表明，该方法可获得各关节点在不同时刻的三维点坐标，解算出展开运动的运动速度、加速度和展开后的面型等参数，为大型可展开天线柔性机构设计、动力学分析和展开可靠性分析等提供必要的参考。     

奇异摄动法在考虑执行机构系统设计中的应用

针对被控对象的执行机构对控制系统的影响，采用三重时间尺度的奇异摄动方法来展示闭环跟踪系统的渐近结构特性，从而极大地方便了解耦控制律的设计和控制矩阵的确定。并以考虑执行机构及旋翼动态的某型直升机为例，进行了多重模型／解耦控制律设计和仿真。     

三轴过顶跟踪中互耦误差分析及补偿技术

简要介绍卫星过顶跟踪时出现的盲区现象和常用的卫星过顶跟踪天线座结构形式,理论上推导了三轴跟踪系统的程序跟踪算法。针对A+E+TIL形式的无盲区跟踪系统,推导了其过顶跟踪时产生的交叉耦合对跟踪性能的影响,并提出了解决方法。仿真结果表明,该方法可以有效提高系统跟踪精度。     

直升机行星架疲劳裂纹扩展寿命预测

直升机行星齿轮保持架（简称行星架）是传动系统的重要部件,其可靠性对于直升机的飞行安全至关重要。行星架疲劳裂纹故障的发生、发展受多种因素影响,其故障诊断和寿命预测都有难度。为准确预测行星架疲劳裂纹寿命,研究了其裂纹故障发生、发展规律,提出了基于对数线性的方法,将裂纹扩展过程离散化处理,采用Paris公式,定量描述裂纹扩展速率,结合Miner准则,累积其疲劳损伤过程,最终得到随裂纹长度变化的行星架剩余使用寿命数值。利用有限元软件ANSYS Workbench的疲劳寿命模块对计算得到的数值结果进行了仿真对比,验证了方法的精确性和有效性。      

Generation of satellite tracking profile: Problems and validation algorithms

Recently, as a satellite mission becomes complicated, it has been required to generate the schedule of satellite antenna movements automatically without relying upon operator’s ad hoc knowledge. To generate the satellite antenna schedule autonomously, this paper first addresses geometrical problems associated with the antenna scheduling and mission planning problems that can be formulated from satellite navigation and antenna orientation information. Then, based on the solutions of the geometrical problems, a set of antenna azimuth and elevation angles that enables the antenna to point towards the desired ground station is obtained systematically. Using the computed azimuth and elevation angles, the satellite tracking profile (TP) is generated, and to validate it, TP validation algorithms are developed.     

分布式天线组阵优选设计

分布式天线组阵是指利用现有的天线资源,使用较低成本实现超大的天线口径。针对分布式天线组阵中,不同口径天线接收信号信噪比差异较大,任意天线是否均可引入天线阵中,加入较低接收信噪比的信号进行组阵合成能否提高最终合成信号的误码率性能等问题,提出了分布式天线组阵的优选准则。该准则依据载频、时延以及相位这三者估计算法的性能及其克拉美罗性能下界,证实当接收信号信噪比低于载频估计的异常值效应门限时,受载频差估计精度急剧恶化的影响,将该信号加入天线阵中进行合成将引起最终合成信号误码率性能的恶化。系统仿真算例验证了结论的正确性,为我国未来深空探测任务提供可靠的保障。