一种鲁棒Sigma-point滤波算法及其在相对导航中的应用

研究了一种鲁棒Sigma-point滤波方法在无人机编队相对导航问题上的应用。该方法采用Huber估计方法,将Sigma-point滤波量测更新转化为求解线性回归问题,新的Sigma-point滤波方法是一种混合L1、L2范数最小估计,当量测噪声为受污染的高斯白噪声时,该方法具有一定的鲁棒性。给出了编队无人机相对惯导方程和相对视线矢量测量原理,应用鲁棒Sigma-point滤波方法融合相对惯导信息和相对视线矢量信息,估计出无人机之间的相对姿态、相对速度和相对位置。仿真结果表明,与扩展卡尔曼滤波和常规Sigma-point滤波相比,鲁棒Sigma-point滤波可以获得更高的估计精度。     

基于变分贝叶斯的自适应鲁棒滤波算法

针对组合导航姿态估计中,观测同时受到野值与时变观测噪声影响的问题,构造一种基于变分贝叶斯的自适应鲁棒滤波算法。该算法可以有效地解决自适应与鲁棒滤波策略的矛盾,利用变分贝叶斯近似估计变换的观测噪声,在变分贝叶斯的滤波框架内,利用Huber滤波鲁棒化方法处理连续野值。在组合导航姿态估计试验中,验证了该算法具有良好的自适应与鲁棒性,并能够保持较高的估计精度。     

基于改进的自适应平方根容积卡尔曼滤波相对导航算法

针对无人机编队飞行时由于目标建模的不确定性导致相对导航滤波算法精度降低甚至出现滤波发散的问题,提出了一种自适应平方根容积卡尔曼滤波算法。首先,建立了无人机双机编队时的相对导航模型。然后,基于新息的自适应修正准则,对滤波状态预测量进行修正,进行了基于自适应修正的平方根容积卡尔曼滤波相对导航算法设计。最后,开展了仿真计算与结果分析。仿真结果表明,该算法具有较好的滤波精度和稳定性,且当目标运动状态与模型不匹配时,该算法与平方根容积卡尔曼滤波算法相比有更好的滤波性能。     

鲁棒Kalman滤波及其在水下组合导航中的应用

在水下捷联惯导(SINS)/多普勒计程仪(DVL)组合导航系统中,当外部辅助信息受到野值等非高斯噪声污染时,选取调节因子γ为固定值将会降低基于Huber方法的鲁棒Kalman滤波(HRKF)算法的精度和鲁棒性。针对此问题,提出了一种基于马氏距离(MD)算法的调节因子自适应的鲁棒Kalman滤波(HRAKF)算法。首先利用MD算法对正常/异常的观测量进行辨识;进而建立γk递推关系式,并根据量测噪声特性对γ值进行实时调整;最后利用γk求取Huber权函数,并对量测噪声阵进行修正。选取8000s船载实测数据,分别利用Kalman滤波(KF)、HRKF及HRAKF算法进行水下组合导航半物理仿真试验。试验结果初步表明:在观测量受到野值或混合高斯分布噪声污染时,相较于KF和HRKF,HRAKF可实现更高精度、更加稳定的组合导航。     

基于整周模糊度精确解算的空间站伴随飞行器DGPS相对导航技术研究

研究了基于载波相位差分GPS的空间站伴随飞行器相对导航技术,建立了相对导航滤波的系统状态空间模型,并且系统状态向量中包含了GPS整周模糊度;采用扩展卡尔曼滤波EKF实现了相对导航滤波的最优状态估计,并提出了浮点解和定点解相结合的GPS整周模糊度解算方法,以提高相对导航精度。仿真结果表明,与仅采用EKF对GPS整周模糊度进行最优估计获得浮点解的方法相比,采用浮点解和定点解相结合的GPS整周模糊度解算方法,可有效提高相对导航滤波精度。     

离散不确定系统的优化鲁棒滤波方法及在飞行试验中的应用

提出了一种离散系统的优化鲁棒滤波方法。为了得到滤波的逼近计算式，通过优化加权矩阵得到了上界不等式逼近和等效系统矩阵，得到了鲁棒滤波的时间更新算法；通过优化加权矩阵得到了下界不等式逼近和等效观测矩阵，得到了鲁棒滤波的测量更新算珐，并且给出了鲁棒滤波算法收敛的条件。飞行试验数据处理的结果表明，提出的方法是有效的。     

涡扇发动机变参数鲁棒H_∞滤波器设计

针对存在建模误差及测量噪声干扰条件下的涡扇发动机性能参数估计问题,标准卡尔曼滤波及其改进算法滤波估计误差收敛速度慢,滤波估计精度低,对不确定测量噪声及建模误差较为敏感,为此本文提出了一种变参数鲁棒H_∞滤波器设计方法。该方法采用仿射参数依赖Lyapunov函数设计满足H_∞性能指标要求的鲁棒滤波器,通过引入凸多胞技术,将参数依赖线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)中变参数Lyapunov矩阵与系统系数矩阵之间耦合乘积导致的非凸优化问题,转化为常规LMI约束下的凸优化问题进行求解,降低了线性变参数(Linear Parameter Varying,LPV)鲁棒滤波器设计的保守性,得到了全局解。针对涡扇发动机的仿真结果表明:与扩展卡尔曼滤波器对比,采用该方法设计的滤波器具有较快的动态跟踪速度和较高的滤波精度,ΔFn的稳态估计误差不大于0.1%,ΔFn的相对估计误差不大于2.5%,同时对建模误差和测量噪声干扰具有较强的抑制能力。     

基于LMI的组合导航多目标控制

针对模型不确定性和噪声非高斯容易导致Kalman滤波精度下降的问题,研究了一类组合导航系统的鲁棒H2/H∞多目标控制问题。将组合导航误差状态方程转化为不确定系统多胞型描述,基于线性矩阵不等式(LMI)将控制器存在条件转化为凸优化问题进行求解。系统的稳定性通过Lyapunov稳定性理论得到保证,通过H2和H∞控制达到抑制干扰的目的,通过保性能控制提高系统的快速性,而对于非零初始条件通过极点配置加速初始阶段的收敛。由仿真结果可以看出,该方法收敛快、鲁棒性强、精度较高。     

基于磁强计测量的微小卫星轨道姿态 耦合确定方法

针对基于磁强计测量的微小卫星, 提出了基于串并联混合策略的轨道姿态 耦合确定方法。滤波初期,考虑到估计误差较大,采用先地磁场大小测量的轨道确定、 后地磁场矢量测量的姿态确定的串联策略;稳定后,采用基于矢量测量的轨道、姿态同 步确定的并联策略。为降低轨道、姿态确定的相互影响,设计了基于信息的鲁棒Kalman 滤波,通过自动调节增益矩阵处理两个滤波系统间的影响。仿真表明,该方法在提高鲁 棒性的同时,还能适当提高状态估计的精度。     

SINS／GPS／CNS组合导航中的鲁棒滤波算法研究

组合导航系统难以精确建模、噪声统计特性难以获得等问题逐渐突出,严重影响了组合导航系统滤波器的稳定性。为提高SINS／GPS／CNS组合导航系统的鲁棒性,设计了基于H∞滤波理论的鲁棒滤波算法,提高了导航系统对系统模型参数变化的适应能力。通过仿真与线性卡尔曼滤波器进行对比,验证了在系统模型参数变化的情况下,H∞滤波器精度几乎不发生改变,有更好的鲁棒性;提高了组合导航系统在噪声统计特性和模型参数不易确定情况下的导航性能。     

Pursuer identification and time-to-go estimation using passive measurements from an evader

We present an algorithm for identifying the parameters of a proportional navigation guidance missile (pursuer) pursuing an airborne target (evader) using angle-only measurements from the latter. This is done for the purpose of classifying the missile so that appropriate counter-measures can be taken. Mathematical models are constructed for a pursuer with a changing velocity, i.e., a direction change and a speed change. Assuming the pursuer is launched from the ground with fixed thrust, its motion can be described by a four-dimensional parameter vector consisting of its proportional navigation constant and three parameters related to thrusting. Consequently, the problem can be solved as a parameter estimation problem, rather than state estimation and we provide an estimator based on maximum likelihood (ML) to solve it. The parameter estimates obtained can be mapped into the time-to-go until intercept estimation results are presented for different scenarios together with the Cramer-Rao lower bound (CRLB), which quantifies the best achievable estimation accuracy. The accuracy of the time-to-go estimate is also obtained. Simulation results demonstrate that the proposed estimator is efficient by meeting the CRLB.     

基于双视线测量的相对导航方法

对非合作目标自主交会中的中远程相对导航问题进行研究.首先,给出二阶近似的航天器相对轨道动力学方程,并对视线(LOS)导航方法的可观测性进行了分析.然后,提出基于双视线测量的相对导航方案.该导航方案中,系统过程噪声模型采用适用于航天器远距离相对运动的轨道动力学方程;量测量包括目标对两个追踪航天器的视线角和追踪航天器之间的...     

双视线测量相对导航方法误差分析与编队设计

空间非合作目标的相对导航是在轨维护和近距离监视任务中的关键技术,目前的研究表明仅有视线测量条件下中距离相对导航沿距离方向的观测度较差,而基于双视线测量的相对导航方法可以有效解决该问题。为此,研究了两个追踪航天器所组成的编队,在双视线测量条件下进行自主相对导航的方法。首先,详细地介绍了双视线测量相对导航方案的构成以及具体的导航算法;其次,根据两个追踪航天器与目标航天器的几何构型,推导双视线测量方法中的误差传递规律,并分析其中的影响因素;然后,对两个追踪航天器的编队构型进行设计,并分析编队构型对该方法导航性能的影响;最后,通过数值仿真对上述相关的结论进行验证。     

对失控航天器在轨服务的自适应滑模控制器设计

为实现对自由翻滚的失控目标航天器进行在轨服务,基于二阶滑模控制算法设计了相对位置与姿态耦合的自适应控制器。考虑相对转动对相对平动的耦合作用,建立了两航天器对接端口间相对位置与姿态耦合的动力学模型,并在此基础上设计了自适应Super twisting控制器,以减弱已知界限的有界干扰所产生的震颤效应,使闭环系统在有限时间内收敛到平衡点。利用李雅普诺夫方法证明了有界干扰下的闭环系统稳定性,并对收敛时间的上界进行了估计。仿真结果表明,与Super twisting算法相比,所设计的自适应二阶滑模控制器对参数不确定性及线性增长有界干扰具有较强的鲁棒性,且控制精度满足在轨服务的任务需求。     

基于3D Zernike矩的巡检器与空间站的相对导航算法

针对航天器相对导航问题,以空间站表面为"特殊地形",提出一种基于大型航天器表面巡检的相对导航算法。首先,运用巡检飞行器上的TOF （Time of Flight）相机测量空间站表面局部点云数据,以该点云数据为实时图,以空间站表面先验点云数据为基准图。然后,利用3D Zernike矩与三维地形间的一一对应关系,将三维地形匹配转化为基于3D Zernike矩的特征向量匹配。在此基础上求解实时图与匹配上的基准图间的相对位置、相对姿态,从而确定两航天器间的相对导航参数,并通过实验分析了匹配精度及速度的主要影响因素。最后,将该相对导航参数与惯性系统推算的相对导航参数在扩展卡尔曼滤波器的框架下实现信息融合,估计了巡检飞行器与空间站间的相对位置、相对姿态,实验结果表明,相对位置精度优于0.002 m,相对姿态精度优于0.1°。     

Relative navigation for multi-spacecraft system with GPS

A type of multi-spacecraft system with kinematical restraint but no structural restraint and force action is considered. Both the absolute and relative navigation information is required for this multi-spacecraft system, but the relative information is more critical and the accuracy requirements for relative information will be much higher than those for the absolute information. In this paper, the Global Positioning System (GPS)/Differential GPS (DGPS) are introduced and used for relative navigation. Relative motion of space vehicles is modeled. Relative position, relative velocity and relative attitude are represented and solved by GPS/DGPS measurements. Using a type of commercial GPS receiver onboard spacecraft and relative differential GPS technique, the relative navigation of space vehicles can be implemented in real-time     

基于地基CEI技术的空间飞行器相对位置测量技术研究

讨论了差分CEI的基本原理，分析了差分CEI的相对位置确定的误差。通过分析得出结论：在CEI基线长度为1000m时，相对角度测量精度可以达到16urad，如果增加基线距离或者结合SBI技术，测量精度会进一步提高，测量精度能够满足交会过程中相对导航、编队卫星相对位置测量、高轨卫星共位等要求。     

Confluence of navigation, communication, and control in distributedspacecraft systems

This research details the development of technologies and methodologies that enable distributed spacecraft systems by supporting integrated navigation, communication, and control. Operating at the confluence of these critical functions produces capabilities needed to realize the promise of distributed spacecraft systems, including improved performance and robustness relative to monolithic space systems. Navigation supports science data association and data alignment for distributed aperture sensing, multipoint observation, and co-observation of target regions. Communication enables autonomous distributed science data processing and information exchange among space assets. Both navigation and communication provide essential input to control methods for coordinating distributed autonomous assets at the interspacecraft system level and the intraspacecraft affector subsystem level. A technology solution to implement these capabilities, the Crosslink Transceiver, is also described. The Crosslink Transceiver provides navigation and communication capability that can be integrated into a developing autonomous command and control methodology for distributed spacecraft systems. A small satellite implementation of the Crosslink Transceiver design is detailed and its ability to support broad distributed spacecraft mission classes is described     

Coordinated target localization base on pseudo measurement for clustered space robot

This paper presents a coordinated target localization method for clustered space robot.According to the different measuring capabilities of cluster members,the master-slave coordinated relative navigation strategy for target localization with respect to slavery space robots is proposed;then the basic mathematical models,including coordinated relative measurement model and cluster centralized dynamics,are established respectively.By employing the linear Kalman flter theorem,the centralized estimator based on truth measurements is developed and analyzed frstly,and with an intention to inhabit the initial uncertainties related to target localization,the globally stabilized estimator is designed through introduction of pseudo measurements.Furthermore,the observability and controllability of stochastic system are also analyzed to qualitatively evaluate the convergence performance of pseudo measurement estimator.Finally,on-orbit target approaching scenario is simulated by using semi-physical simulation system,which is used to verify the convergence performance of proposed estimator.During the simulation,both the known and unknown maneuvering acceleration cases are considered to demonstrate the robustness of coordinated localization strategy.