Performance limitations in trajectory tracking control for air-breathing hypersonic vehicles

An integrated approach that considers the performance limitations of tracking control systems for air-breathing hypersonic vehicles is proposed. First, a set of ascent trajectories is obtained as candidates for tracking control through a trajectory design method that considers the available acceleration. Second, the basic theory of performance limitations, which is adopted to calculate the limits on control performance through the trajectory, is integrated. The open-loop dynamics of air-breathing hypersonic vehicles is responsible for these limits on the control system. Comprehensive specifications on stability, tracking accuracy, and robustness are derived, and the flight envelope with constraints and control specifications is identified. Simulation results suggest that trajectory design should consider restrictions on control performance to obtain reliable solutions.     

半球谐振陀螺控制电路频率跟踪精度提升方法

半球谐振陀螺控制电路的控制精度直接影响半球谐振陀螺仪的输出精度,而频率跟踪精度又直接影响了半球谐振陀螺控制电路的精度.传统的半球谐振陀螺数字控制电路采用过零比较的方法计算陀螺幅点信号的频率,此方法易受地线毛刺信号的干扰,频率跟踪精度不高.介绍了采用A/D转换采集数据估算陀螺幅点信号频率的方法,并对各种方法进行了优缺点比较,提出选用建议.这些方法既提升电路抗干扰能力,又大幅提升了频率跟踪精度,还省去了过零比较电路.分析及测试结果表明,采用该频率跟踪方法,半球谐振陀螺的频率跟踪精度可达0.002Hz,可大幅提升半球谐振陀螺控制电路的精度.     

基于多级响应面法的翼梢小翼气动优化设计

 为了提高数值计算效率和准确性,提出了基于多级响应面法的确定翼梢小翼气动外形参数的一种优化方法。建立某水陆两用飞机带融合式翼梢小翼的机翼参数化模型后,先用Plackett-Burman试验设计筛选设计参数,并根据设计参数对目标函数的影响将其划分为3个等级：显著因素、次显著因素和不显著因素。为了逼近存在最大响应值的区域,用最速上升法确定95%概率水平上显著因素的设计中心点。最后用多级响应面法确定各级设计参数的最优设计点。该方法以采用计算流体力学（CFD）的计算结果为基础,选择了8个设计变量,共进行了68次试验。优化设计得到的最大升阻比为20.680 56,数值计算直接算得的最大升阻比为20.680 31,相对误差0.001%,证实了优化模型的有效性。加装小翼后,最大升阻比增加了5.62%,总阻力减少了4.13%,翼根弯矩增加了2.88%。     

Model-free adaptive optimal design for trajectory tracking control of rocket-powered vehicle

An adaptive optimal trajectory tracking controller is presented for the Solid-Rocket-Powered Vehicle (SRPV) with uncertain nonlinear non-affine dynamics in the framework of adaptive dynamic programming. First, considering that the ascent model of the SRPV is non-affine, a model-free Single Network Adaptive Critic (SNAC) method is developed based on the dynamic neural network and the traditional SNAC method. This developed model-free SNAC method overcomes the limitation of the traditional SNAC method that can only be applied to affine systems. Then, a closed-form adaptive optimal controller is designed for the non-affine dynamics of SRPVs. This controller can adjust its parameters under different flight conditions and converge to the approximate optimal controller through online self-learning. Finally, the convergence to the approximate optimal controller is proved. The theoretical analysis of the uniformly ultimate boundedness of the tracking error is also presented. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed controller.     

一种基于参数控制的低轨星载接收机载波跟踪算法CSCD

低轨星座接收机面临大多普勒频移及频繁快速换星等设计约束,对其载波跟踪环路设计提出了较高的动态适应性与跟踪精度要求。针对以上问题,提出了一种基于参数控制的载波跟踪算法。该算法引入环路控制因子参数,将环路滤波器分为牵引和跟踪两阶段。基于理论建模推导环路控制因子的最优参数配置原则,指导实现牵引和跟踪两种状态滤波器的协同配合,在牵引阶段有效引导大多普勒信号快速入锁,在跟踪阶段精确估计载波频移参数,实现基于低轨星载平台的GNSS信号快速准确跟踪。理论与仿真结果均表明基于参数控制的载波跟踪算法能够有效提升环路的动态适应性与跟踪精度,满足低轨星载接收机的设计需求。与传统算法相比,该算法在保证信号跟踪精度的同时,能够将收敛时间缩短78%,且环路设计简单,易于硬件实现。     

一种基于历史标校数据的移相值预测方法

地面测控设备在执行测控任务前,需要对和差接收通道的相位差进行标校(简称校相),以满足测角分系统的目标自跟踪要求.针对因标校设备故障而无法进行校相的问题,通过使用数理统计的多元回归分析方法,对积累的历史标校数据进行分析,确定了设备工作的环境温度对跟踪接收机移相值有显著影响.在此基础上,利用滑动窗口多项式拟合方法得到拟合移相值,并与最近一次的标校移相值进行时变加权,可以得到基于历史标校数据的移相值预测方法.仿真试验表明该方法具有较好的预测精度,可将预测移相值作为跟踪接收机参数,提高测控设备应急测控能力.     

一种低复杂度的极低信噪比高动态信号载波粗捕获算法

 针对传统的时域匹配平均周期图算法计算复杂度高的问题,对极低信噪比高动态信号的载波粗捕获算法进行了研究,提出了一种改进的带有补零的频域移位平均周期图算法。该算法采用多速率频域移位运算简化了多支路多普勒变化率匹配,与原算法相比,其计算复杂度降低倍数为匹配支路数与补零倍数之比,捕获性能几乎不损失。给出了算法中影响捕获性能与计算复杂度的关键参数设计方法。在信噪比(SNR)为－41 dB(载噪比C/N₀=18 dBHz)、载波多普勒频偏为－300～300 kHz、多普勒变化率为－800～800 Hz/s、码速率为20 bps条件下对两种算法进行了仿真,结果表明在基本满足后级载波跟踪需求条件下,即频偏精度均达±12 Hz时,多普勒变化率精度均达±25 Hz/s,捕获概率都在90%以上时,改进算法捕获时间比原算法增加了8%,计算复杂度降低了70%。     

晶振误差特性及其对弹载卫星导航接收机的影响分析

在卫星导航定位中,需要通过测量时间来计算伪距和伪距率,因此晶振的应用尤为重要。特别是当弹载卫星接收机工作在振动、高动态等恶劣的工作环境中时,晶振性能会明显恶化。提出了晶振长期稳定性、短期稳定性、相位噪声等误差特性的描述,以及这些误差特性对接收机捕获、跟踪、定位测速影响的仿真分析,并根据仿真结果提出了相应的晶振选型分析和应用方法,以使卫星导航接收机能够满足其工作要求。     

基于Leader-Follower编队的无人机协同跟踪地面目标制导律设计

对地面目标的自动跟踪是无人机在任务应用阶段需要解决的重要问题之一,多无人机协同跟踪能够提高对目标运动状态的估计精度并降低目标丢失的概率,因而具有重要研究意义。本文提出了一种基于Leader-Follower编队的无人机协同跟踪制导方法,解决了传统Standoff跟踪模式对地面目标的速度范围限制问题。首先,通过控制无人机的航向不断趋近于地面目标牵连跟踪圆切线方向的方法设计了Leader无人机自动跟踪地面目标的制导律并完成了稳定性证明;其次,通过控制Follower无人机的速度和航向角逐渐趋近于Leader无人机速度和航向的协同跟踪策略,分别设计了Follower无人机自动跟踪Leader无人机的制导律和编队相位协同制导律并完成了稳定性证明;最后,分别针对静止目标、匀速直线运动目标和变速运动目标的跟踪问题进行了仿真验证,结果表明所提出的制导方法能够实现对不同运动状态地面目标的自动协同跟踪,并且跟踪性能优于基于李雅普诺夫向量法的制导方法。     

Robust Control for Static Loading of Electro-hydraulic Load Simulator with Friction Compensation

Load simulator is a key test equipment for aircraft actuation systems in hardware-in-the-loop-simulation. Static loading is an essential function of the load simulator and widely used in the static/dynamic stiffness test of aircraft actuation systems. The tracking performance of the static loading is studied in this paper. Firstly, the nonlinear mathematical models of the hydraulic load simulator are derived, and the feedback linearization method is employed to construct a feed-forward controller to improve the force tracking performance. Considering the effect of the friction, a LuGre model based friction compensation is synthesized, in which the unmeasurable state is estimated by a dual state observer via a controlled learning mechanism to guarantee that the estimation is bounded. The modeling errors are attenuated by a well-designed robust controller with a control accuracy measured by a design parameter. Employing the dual state observer is to capture the different effects of the unmeasured state and hence can improve the friction compensation accuracy. The tracking performance is summarized by a derived theorem. Experimental results are also obtained to verify the high performance nature of the proposed control strategy.     

Multi-objective approach in GNSS code discriminator design

In spread spectrum ranging system receivers such as the Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers, a discriminator is used in the code tracking loop to provide an error signal for the tracking of incoming signals. Typically, the discriminator manipulates several correlator outputs to form the correction signal. A multi-objective approach is adopted here to design the coefficients associated with a multi-correlator-based discriminator to lead to a better performance tradeoff in large tracking range, acceptable multipath-induced bias, high sensitivity, free of ambiguity, and small variance. It is shown that the multiple-objective problem can be tackled via a quadratic/linear programming method, rendering the optimal coefficient vector for the implementation of the discriminator. In addition, as the discriminator design is often subject to conflicting requirements, it is shown that the proposed design approach is capable of establishing bounds on achievable performance. Examples with respect to BPSK (binary phase-shift keying) NRZ (nonreturn-to-zero), and BOC (binary-offset carrier) signals are given to illustrate the design approach.     

基于时标分解的弹性高超声速飞行器智能控制

考虑弹性高超声速飞行器纵向动力学模型，提出了一种基于时标分解的智能控制方法。考虑刚体状态和弹性模态具有不同的时标特性，采用奇异摄动理论进行快慢时标分解，将模型转换为刚体慢变子系统和弹性快变子系统。针对刚体子系统考虑动力学不确定，基于平行估计模型构造表征不确定逼近效果的预测误差，结合跟踪误差给出复合学习控制策略。针对弹性子系统设计自适应滑模控制稳定弹性模态。通过李雅普诺夫稳定性分析可证系统状态一致终值有界。仿真表明所提出的控制方法能够实现刚弹模态的稳定收敛，且具有更高的跟踪精度、更好的学习性能和更快的收敛速度。     

直达与非直达环境中的多目标解耦直接定位方法

针对直达（LOS）与非直达（NLOS）环境中的定位问题,提出了一种波形已知条件下的单阵地多目标直接定位（DPD）算法。该算法针对发射时间已知和未知两种情况,利用多径信号到达角度与时延关于障碍物（或反射体）、观测站与目标位置参数的数学关系,建立了三维目标位置的最大似然（ML）函数,无需估计测量参数,避免了传统两步定位方法所需的非直达径识别与数据关联。为了克服多目标定位中的高维非线性优化问题,该算法利用独立波形信息将多目标定位解耦为对各个目标单独求解。通过对目标函数有效近似,算法在发射时间已知和未知两种情况下均仅需三维网格搜索,比相应的两步定位方法具有更低的计算量。此外,基于多径定位场景,推导了发射时间已知和未知两种情况下的位置估计克拉美罗界（CRB）。仿真结果表明：算法的定位性能能够逼近相应的克拉美罗界,比传统两步定位方法和子空间直接定位算法具有更高的定位精度。     

基于滚动时域的舰载机甲板运动轨迹跟踪最优控制

针对单机滑行、无杆牵引系统以及有杆牵引系统的轨迹跟踪问题进行了研究。首先，将这3种系统的轨迹跟踪问题转化为最优控制问题，并建立了连续非线性舰载机系统的轨迹跟踪模型。然后，基于第3类生成函数，提出了适用范围更广的全状态保辛伪谱算法，并结合滚动时域理论提出了基于滚动时域（RHC）的在线跟踪最优控制方法，证明了所提算法是一种保辛算法。基于所提出的在线跟踪算法，对单机滑行、无杆牵引系统、有杆牵引系统在存在初始偏差和持续外界扰动情况下的轨迹跟踪问题分别进行了研究，并与BackwardSweep方法进行对比分析，结果表明本文所提出的跟踪算法可以有效地解决具有控制约束和状态约束的轨迹跟踪问题，并可以更高的跟踪精度和计算效率对标准轨迹进行跟踪，可完全满足实时跟踪的要求。最后，分别从初始偏差和持续外界扰动的角度研究了这3种不同方式的跟踪特性。     

欺骗环境下GNSS信号估计与定位修正技术

欺骗信号以其极强的隐蔽性使卫星导航接收机难以察觉并迅速定位到错误位置,严重影响了卫星导航的安全性。现有抗欺骗技术需要其他导航系统辅助来修正受欺骗影响的定位解算,针对该问题,本文提出了一种GNSS欺骗信号参数估计与辨识方法,能够在欺骗干扰环境下估计并辨识出真实信号所对应的伪距,进而解算出接收机真实位置。该方法通过研究欺骗干扰下接收机相关值模型,在信号跟踪阶段建立真实与欺骗双信号状态模型与基于九路相关器输出的观测模型,利用扩展卡尔曼滤波（EKF）估计真实信号与欺骗信号的伪码延时与信号相关幅值,进而获得真实与欺骗伪距,在定位解算阶段利用改进观测量残差检测方法辨识出真实与欺骗伪距,最终使用真实伪距定位获得真实位置。仿真结果表明对相对码延时介于0.3~0.9 chip之间且欺骗/真实信号幅度比介于1~5之间的隐蔽欺骗攻击,所提方法的码延时估计误差约0.1 chip,可有效估计真实信号与欺骗信号参数,辨识出真实伪距,并使被欺骗的定位结果重新回到真实位置结果,改善GNSS接收机抗欺骗能力,提高卫星导航安全性。     

GPS based prediction of the instantaneous impact point for sounding rockets

As part of the range safety operations during a sounding rocket launch, a real-time prediction of the instantaneous impact point (IIP) is performed to monitor the expected touch down point in case of a boost termination. Supplementary to traditional radar tracking, the IIP prediction is nowadays based on GPS navigation data, which offer an inherently higher accuracy and reduced data noise. To comply with the increased tracking performance, a consistent set of equations suitable for real-time computation of the approximate IIP is established. Aside from a consideration of gravitational forces, reference frame rotation and Earth curvature, the model can also account for drag during the ascent trajectory provided that a priori information on the ballistic properties of the launch vehicle is available. The algorithm is tested for a representative set of mission profiles and applied to GPS flight data of an Improved Orion rocket and a Maxus rocket launched at Esrange, Kiruna.     

低成本GNSS接收机芯片载波相位测量技术

当前具备载波相位测量的GNSS接收机能够实现高精度定位,但其成本高、体积大,难以广泛应用于大批量的手机、平板电脑等消费电子产品。针对ST公司的STA8090接收机芯片并改进其软件和晶振以获得载波相位信息,采用双差和三差方程测试评估载波相位测量的精度,与测绘型接收机进行对比。基于改进的STA8090接收机芯片构建双天线定姿系统原型样机,静态测试评估了相对定位和定向精度。研究结果表明,千米级静态相对定位精度优于0.01m,在1.23m基线条件下定向精度优于0.1°。因此,采用低成本GNSS接收机芯片实现高精度载波相位测量的技术方案是可行的,具备广阔的市场应用前景。     

基于IMMKF算法的ADS-B监视应用目标跟踪

目标跟踪是机载广播式自动相关监视（ADS-B）应用的基础功能,对提升航空器周边的弱机动民航飞机目标跟踪性能具有重要意义。提出一种基于交互式多模型卡尔曼滤波（IMMKF）算法的ADS-B 监视应用目标跟踪方法。首先,针对弱机动背景下的民航飞机的飞行特点,建立包含匀速模型和标准协同转弯模型的运动模型集,并对模型进行线性化近似;然后,将模型预测和ADS-B 状态矢量量测数据作为IMMKF 算法中多个并行卡尔曼滤波器的输入,进行并行滤波;最后,计算得到目标状态矢量的估计和模型近似概率,并作为下一次迭代的输入。结果表明：相比于基于匀速模型的卡尔曼滤波目标跟踪方法,IMMKF 方法的位置跟踪误差降低了59%,速度跟踪误差降低了77%,显著提升了状态估计性能,具备较高的跟踪精度、稳健性与计算效率,在ADS-B 监视应用中具有实际应用价值与借鉴意义。     

MIMS/GPS组合导航系统设计与实验

 GPS 接收机与微型惯性传感器组成的低成本、轻小型组合导航系统可以弥补各自的不足, 防止导航定位误差随时间积累, 并且提高了系统的抗干扰能力。采用状态和偏差去耦估计方法, 在开环卡尔曼滤波器结构的基础上, 引入了偏差反馈补偿; 并利用双GPS 接收机测量方位角解决了组合系统的初始方位对准问题。车载实验表明, 样机的定位精度和GPS 相当, 并具有较好的重复性。尤其是当GPS 短时间失锁时, 系统仍能保持较高的定位精度, 从而增强了系统的可靠性。     

GPS/惯性组合方式讨论与导航精度分析

 本文讨论GPS/惯性组合两种方式的优缺点。并以GPS伪距和伪距率与惯导组合为例,按GPS测量误差的不同,以及使用差分机等情况,仿真计算了机载使用的组合导航性能,进行了详细的精度分析。结果表明,这种组合的导航精度比GPS和惯导各自的导航精度高。在采用差分GPS机与惯导组合后,位置误差将进一步减少,使组合导航具有开辟例如飞机进场着陆等新的使用领域的可能性。