外弹道容错样条微分技术研究及应用

外测系统中传统的正交多项式微分方法和自然样条微分方法容错能力弱,无法避免截断误差、消除异常数据的影响,并且求得的微分结果对随机误差敏感。为了解决这些问题,提出容错样条微分技术,融合了自然样条微分算法与正交多项式中心平滑的优点,不仅增强了算法的容错性能、降低了结果对随机误差的敏感性,并且减小了截断误差。通过仿真试验,验证了该算法的实用性和有效性,为试验任务提供了高精度的弹道参数结果。     

面向雷达天线平台的容错纠错策略及其FPGA实现

 针对雷达天线平台可能出现的传感器故障,提出了一种容错纠错策略。如果雷达天线平台周围的3条驱动腿中的某一个传感器发生故障,则可根据空间闭链机构约束,由其他正常工作驱动腿的传感器和中间从动腿的冗余传感器的测量值计算出故障传感器的应测值。推导了对应的位移传感器故障的容错重构算法,研究了基于现场可编程门阵列（FPGA）的上述容错策略的硬件实现方法。通过引入坐标旋转数字计算（CORDIC）算法使得FPGA运算中只需进行基本的移位和加/减操作;设计了基于FPGA的循环高速流水线处理器结构,使得重构算法的在线计算速度大大提高。仿真模拟了突变型传感器故障,结果表明,所提容错纠错方案能有效地保证雷达天线平台运行的安全性和可靠性。     

自动微分技术及其在轨迹优化中的应用

研究了自动微分技术在直接配点法中的应用,将其与内点非线性规划算法相结合,用于求解配点法转化得到的非线性规划问题。采用前向自动微分模式,利用ADOL-C实现了基于算子重载的自动微分计算;为验证算法的性能,以经典的航天飞机再入轨迹优化问题为例,针对三种直接配点格式,比较了自动微分法和有限差分法用于微分计算的性能。研究结果表明,自动微分可以提高微分信息计算的精度和效率,进而提高非线性规划算法的稳定性和收敛速度。     

基于联邦滤波的容错组合导航系统设计及实现方案

以SINS／GPS／Doppler为例，设计容错组合导航系统，该系统包括SINS容错算法、子系统故障检测及隔离、容错综合算法。采用联邦滤波算法，提高了计算精度和可靠性，具有较好的容错性和环境适应性，有较高的工程实用价值。     

地磁测量数据野值的辨识与剔除

针对地磁测量野值的辨识与剔除方法进行了深入研究。分析了野值辨识与剔除的基本原理,基于孤立型野值和斑点型野值模型分析比较了不同的野值剔除方法。利用地磁场实测信息,优化了野值剔除方法的参数,并从不同角度验证了方法的野值修复效果。仿真结果表明,在观测信息为总强度地磁信息条件下,优化的最小二乘B样条逼近法能够有效地辨识野值,具有较好的野值修复效果。     

多维平稳过程的容错辨识与突变检测

本文将参数容错辨识与过程突变检测相结合,构造了多维平稳过程的协方差-位置参数(∑,μ)的一组具有良好容错能力的辨识算法;基于该算法,建立了多维平稳过程突发性故障的检测与诊断算法;简要指出了上述方法在航天测控工程中的应用前景。最后,通过仿真计算证实了容错辨识与突变检测算法的有效性。     

北斗GEO卫星实时求速算法研究

以北斗系统空间信号接口控制文件中规定的卫星位置计算标准算法为基础,研究了采用北斗广播星历实时计算北斗GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星速度的算法。首先,通过将开普勒参数和摄动改正项对时间求导,给出了计算北斗GEO卫星瞬时速度的直接求速算法并进行了验证测试。接着,探讨了微分步长对北斗GEO卫星位置微分求速精度的影响。进一步,采集真实北斗GEO卫星广播星历数据,选择代表卫星,采取不同微分步长,分别按照位置微分与直接求速计算卫星速度,并进行了比对测试。验证测试结果证明了北斗GEO卫星直接求速算法的理论正确性,该算法可作为计算GEO卫星瞬时速度的标准算法;比对测试结果则表明适用于北斗GEO卫星位置微分求速的合理微分步长应为1s。     

基于ADE-ELM的涡轴发动机建模方法

提出了基于自适应微分进化-极端学习机(ADE-ELM)求解平衡方程的高精度涡轴发动机实时部件级模型建立方法.基于牛顿-拉夫逊(N-R)迭代模型,以迭代计算前模型平衡方程残差为输入,迭代收敛后平衡方程猜值修正量为输出,训练极端学习机,并采用自适应微分进化(ADE)算法优化极端学习机(ELM)参数,提高猜值修正量映射精度.ADE算法中采用sigmoid型自适应缩放因子,提高了微分进化算法的寻优能力.在涡轴发动机不同飞行状态下的测试结果表明,以N-R迭代算法模型为基准,基于ADE-ELM的发动机模型,最大建模误差约为一次通过算法的1/3,运算耗时约为一次通过算法的1/3,验证了算法的有效性.      

航空发动机内置式永磁容错发电系统的研究

针对内置式航空发电系统高功率密度、高可靠性和高输出性能的要求,提出了基于三相四桥臂的航空用永磁容错发电系统。利用永磁容错电机大电感的特点,改进了传统弱磁控制算法,提出了简单高效的直轴电流I_d解析法弱磁控制,通过实时计算弱磁电流给定实现了宽速范围（3倍额定转速）内的恒压发电控制。同时,根据容错电机磁隔离的特点,以保证故障前后电机定子磁场为圆形旋转磁场为前提,结合电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法实现了单相断路或短路故障的容错发电控制。通过MATLAB仿真验证了控制算法的正确性。最后,对一套7.5 kW永磁容错发电系统进行了算法验证实验,验证了I_d解析法弱磁控制和容错控制的可行性,为后续的系统性能测试打下基础。     

采样时间序列的故障数据检测与滑动容错滤波

在导出采样时间序列数据滑动LS滤波的基础上，本文建立了了组简洁的故障数据检测与修复算法，地故障数据修复与滤波估计相结合，构造了对突发性故障数据有良好容错能力的滑动容错滤波算法。仿计算证实，该方法有效、可靠。     

高超声速飞行器自适应神经网络容错控制

针对高超声速飞行器巡航段执行器控制效益损失故障和卡死故障问题,基于高超声速飞行器纵向运动模型,将自适应算法与改进的径向基函数神经网络(RBFNN)方法相结合,设计了一种自适应神经网络容错控制器。所提出的容错控制方法具有无需估计执行器故障值的优点,且设计的控制算法结构简单,无需大量实时计算,可以快速处理故障的发生,确保系统在参数不确定、恒定或时变执行器故障与卡死故障情况下仍具有稳定跟踪能力。最后,仿真验证了该方法的有效性。     

有效性因子在卫星姿控系统集成故障诊断与容错控制中的应用

 研究了在轨卫星姿态控制系统(ACS)发生可修复性故障状况下的集成故障诊断与容错控制。考虑执行机构和敏感器分别或同时出现故障,相应地分别或同时在姿态动力学和运动学方程引入控制有效性因子和测量有效性因子,利用二级卡尔曼滤波算法求解其值,以说明系统的控制以及测量的有效程度。采用统计假设检验通过其幅值变化判断系统是否存在故障,当故障发生时,引入重构容错控制器对原控制器进行补偿控制。建立卫星闭环姿态控制系统对算法进行了仿真验证,仿真结果表明该算法快速可靠,能够满足在轨卫星姿态控制系统故障状况下的性能要求。     

基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划

为了使太空机械臂在关节锁定故障后仍能继续完成后续任务,提出一种基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划方法。基于牛顿-拉夫逊法计算太空机械臂关节人为限位,完成满足任务需求的退化工作空间求解,通过构造姿态可达度指标,在退化工作空间的基础上建立故障机械臂基坐标系下的位姿可达空间。通过在代价函数中增加最小奇异值代价项改进传统A^*算法,基于改进A^*算法在所建立的位姿可达空间内完成太空机械臂容错路径规划。所提方法综合了位姿可达空间与改进A^*算法各自的优势,实现了关节锁定故障太空机械臂同时满足避奇异与位姿可达要求的轨迹搜索。通过建立7自由度太空机械臂运动学模型开展数值仿真研究,仿真结果验证了所提容错路径规划方法的有效性。     

自旋稳定卫星姿态参数递推容错LS估计

准确计算自旋稳定卫星姿态参数是正确实施姿态控制的前提。本文基于最小二乘（LS）理论，建立了在线计算卫星姿态参数的一组具有容错功能的递推LS算法，简要论证了该算法具备良好的统计最优性质。     

组合导航系统中一种基于特征值分解的自适应信息融合滤波算法

基于分散滤波理论的联合滤波算法,可以有效地降低组合导航系统的计算负担,并且增强系统的容错性能。给出了一种联合滤波算法中信息分配系数的自适应计算方法,能够使联合系统根据导航过程中各传感器的信息质量的变化合理地反馈全局信息。仿真结果表明,该算法可以有效地降低由于导航子系统降级带来的滤波误差。     

发动机进气压力控制系统噪声抑制方法

高空台进气压力控制系统具有大时滞特性,被控对象受到输入噪声、相位延迟等不确定因素的影响,导致控制系统难以精准控制,给控制器的设计带来挑战。针对该问题,首先采用基于跟踪微分器(TD)的测量噪声抑制对系统输入噪声进行估计,通过引入基于跟踪微分器与Fal函数滤波算法的相位补偿进行了补偿器设计。然后对高空台进气压力控制系统设计了跟踪微分器的测量噪声抑制算法,并进行了滤波特性分析。在设计相位补偿方法时,不仅考虑了测量信号中随机噪声的分离,还对微分信号中的抖动信号进行了滤波,使得系统初始信号和滤波后的光滑微分信号重新构成新的有用信号,最终解决了输出信号的相位滞后对控制精度影响的问题。通过数值模拟对经典fhan算法和提出的Fast+PA(Phase Advancer)算法进行了比较,验证了Fast+PA算法噪声抑制的优势。结果表明,Fast+PA算法通过调整重要参数滤波因子h₀和向前预报补偿因子λ的值既能消除颤振及保证滤波的效率,又具有较好的相位补偿和动态响应能力。     

基于微分进化算法的二自由度PID控制器参数优化

针对二自由度PID控制器参数多、调节困难等问题,提出了一种基于微分进化算法参数调节优化方法。证明了微分进化算法能够收敛到平稳点,并具有概率全局收敛性。研究了二自由度PID控制器参数与抑制特性、跟踪特性的关系,并将微分算法与遗传算法、粒子群算法的参数优化结果进行了比较。仿真验证表明,微分算法能够更好地实现二自由度PID控制器参数的调节,具有优异的跟踪特性和抑制特性。     

基于微分进化算法的航空发动机模型修正

为了提高航空发动机性能仿真模型精度,采用微分进化算法对发动机部件特性进行修正.对微分进化算法进行改进,提出折线式交叉变量变化方式,提高了算法的寻优能力.提出变步长牛顿-拉夫逊迭代算法,基于平衡方程残差范数变化趋势,改变牛顿-拉夫逊算法迭代计算步长,提高了模型的收敛性和收敛速度.在设计点,对各部件特性、引气系数、总压恢复系数进行修正,使修正后的模型输出与试验数据相匹配.仿真结果表明:改进后的牛顿-拉夫逊迭代算法收敛性更强、计算速度更快,修正后的各输出参数的最大建模误差减小到1.3762％,满足建模误差需求.     

利用姿态测量数据确定卫星初始轨道

提出了一种利用姿态测量数据确定卫星初始轨道的新方法。姿态确定后,根据卫星姿态与位置函数的关系,可确定位置矢量的方向数。采用三个不同时刻的测量值,根据飞行时间定理和几何约束条件,得到卫星轨道的解析方程。利用微分校正法解方程即可得卫星轨道参数,最后对卫星多种姿态及飞行轨道进行了仿真计算,结果显示迭代算法收敛,证明此方法是可行的。     

临近空间无人飞行器多余度容错导航系统设计

临近空间无人飞行器导航系统的故障直接影响到飞行器的任务执行和飞行安全,因此必须能够长时间地保持稳定性和精确性,为达到此目的必须设计由惯性导航、卫星导航等多种导航传感器组成的多源多余度容错导航系统,提高系统的可靠性。针对临近空间飞行器制导控制对导航信息的需求,提出了一种标准的三余度导航系统架构,并设计了采用新型加权平均表决子算法,具备故障检测和隔离以及故障重构功能的容错重构算法,构建了适用于临近空间无人飞行器的多余度容错导航系统,通过实测试验数据仿真验证了容错导航系统的性能,展示了系统一次故障工作的故障容错能力。所研究内容也可被其他类型的无人飞行器借鉴和参考。