Optimization of communication network topology for navigation sharing among distributed satellites

Navigation sharing among distributed satellites is quite important for coordinated motion and collision avoidance. This paper proposes optimization methods of the communication network topology to achieve navigation sharing. The whole communication network constructing by inter-satellite links are considered as a topology graph. The aim of this paper is to find the communication network topology with minimum communication connections’ number (MCCN) in different conditions. It has found that the communication capacity and the number of channels are two key parameters affecting the results. The model of MCCN topology for navigation sharing is established and corresponding method is designed. Two main scenarios, viz., homogeneous case and heterogeneous case, are considered. For the homogeneous case where each member has the same communication capacity, it designs a construction method (Algorithm 1) to find the MCCN topology. For the heterogeneous case, it introduces a modified genetic algorithm (Algorithm 2) to find the MCCN topology. When considering the fact that the number of channels is limited, the Algorithm 2 is further modified by adding a penalized term in the fitness function. The effectiveness of these algorithms is all proved in theoretical. Three examples are further tested to illustrate the methods developed in this paper.     

北斗导航星座星间通信速率控制方法

北斗导航星座可以通过星间测距和传输链路实现自主定轨和性能增强。导航卫星间进行数据传输时,卫星相对位置时变,传输信道特性也随之不断发生变化。针对导航卫星间传输链路时变特性,提出了一种基于星历的星间通信速率控制方法。在满足传输服务质量的需求下,根据导航卫星自有的高精度星历资源定量计算星间最优通信速率,通过速率的动态调整提高星座的传输效能。仿真结果表明,采用所提方法,北斗导航星座星间传输效能可以提高1.92倍,验证了方法的有效性。      

高中低轨导航星座混合体制星间链路规划

针对北斗系统加入低轨增强星座后的高中低混合星座特点,为了满足下一代导航星座主要的星间链路业务需求,提出了一种分级规划的混合星座星间链路规划方案。优先为激光星间链路的MEO、LEO、MEO-LEO建立拓扑,基于此拓扑提出了时分体制的分组拓扑规划算法。针对导航星座高中低速混合星间网络不同体制的路由提出了2种不同的改进路由算法,并对混合体制星间链路进行了仿真和规划。对规划结果进行了统计分析,验证了混合网络规划方法的正确性和混合网络在低轨监测数据回传、层间数据传输、导航信息上注3个典型导航业务场景的数据传输效能。低轨监测数据回传和连续体制节点导航信息上注时延均在1s之内,在94%的时间里有5~8条层间星间链路,时分体制节点在92%的时间里可以在12s内完成上行注入,为下一代导航系统规划设计提供参考建议。     

前向数据接入方式对导航星座网络通信性能的影响分析

对采用时分多址轮询建链体制的导航星座星间链路网络,为了指导星间链路网络地面前向数据接入的应用,分析了不同地面前向数据接入方式的星-星-地联合数据交互机制及其对网络通信性能的影响,并结合应用代价给出了综合评价和使用建议.以前向数据最快路径接入方式和固定节点接入方式为代表,分析了星间链路网络与地面间星-星-地联合数据交互机...     

地月空间信息网络链路分配算法研究

在设计拓扑时,如何分配每颗卫星上有限的通信终端建立通信链路,构建一个性能良好的网络拓扑,成为了一个重要的研究问题。以平均月球中继卫星到地面站路径距离最小为优化目标,以卫星携带的通信终端数目、月球中继卫星与地面站的连通性为约束条件,提出了基于竞争决策思想的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Competitive Decision, LAA-CD)和基于模拟退火法的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Simulated Annealing,LAA-SA),并与贪婪算法进行对比。仿真结果表明,LAA-CD和LAA-SA算法下所得拓扑的平均月球中继卫星到地面站距离均小于贪婪算法,且LAA-CD算法能够有效降低算法的时间复杂度。进一步对比了两种星座,发现相比拉格朗日轨道卫星星座,在月球极轨道卫星星座下所得拓扑具有更小的平均距离,为空间信息网络分配提供技术支撑。     

导航星座星间星地一体化数据交互技术研究

导航星座时分轮询建链体制星间链路与非时分固定建链体制传统星地链路,数据交互机制区别显著,不利于导航星座与地面联合数据交互的高效实现.提出利用与星间链路信号体制一致的星地链路,将星间链路范围扩展至地面,以少量的地面站资源和统一的网络规划,实现星间、星地链路数据传输处理机制统一化以及网络资源调度管理一体化的方法,可支持全球...     

不完整测量下集群飞行器协同相对定位方法

测距和测向是实现飞行器间相对测量的常用手段。通常而言,飞行器间相互测距精度远高于飞行器绝对位置导航精度。因此,提出了一种基于集群飞行器间测距和对目标测向的协同相对定位方法,利用集群飞行器间相互测距和各飞行器对非合作目标测向来实现集群飞行器及非合作目标的相对定位。方法分为静态相对定位方法和动态相对定位方法两种。基于飞行器间相互测距和对非合作目标测向来实现协同相对定位的方案,不需要对非合作目标进行完整的相对位置测量,简化了对飞行器测量设备配置的要求。同时,相比基于飞行器绝对位置导航和对非合作目标测向的相对定位方案,能获得更高的相对定位精度。     

A scheduling strategy to inter-satellite links assignment in GNSS

By introducing inter-satellite link (ISL), the dependence of the global navigation satellite system (GNSS) on ground infrastructure can be reduced and its performance enhanced via inter-satellite ranging and communication. Owing to platform restrictions, there are usually fewer onboard Ka-band ISL antennas than the number of visible satellites, which poses a problem when optimizing the inter-satellite links assignment of the GNSS. In this study, to optimize inter-satellite ranging and communication, a multi-objective optimization model is built and a scheduling strategy is proposed for the inter-satellite links assignment scheduling problem. The position dilution of precision (PDOP) of links and the transmission time-delay of telemetry data are set as the ranging performance and communication metrics, respectively. We regard the links assignment in each slot as a general graph-matching problem, and apply the Blossom algorithm to obtain the maximum matching. We then generate and optimize the satellite sequences for whole slots using non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II). The simulation scenes include 10,080 epochs of GNSS constellation, and the simulation results show that the performance of the proposed strategy is better than that of other methods published recently, and can provide various solutions to meet the different preferences of system managers.     

一种基于凝固地理系的捷联惯导极区导航算法

针对传统惯性导航系统机械编排在极区导航存在无法定位定向问题，提出了一种基于凝固地理系的捷联惯导极区导航新方案。该方案在极区内采用相对于原点三轴位置代替传统的经度、纬度、高度导航，导航计算不存在奇点。给出了凝固地理系捷联惯导系统的机械编排，推导了该坐标系与地理坐标系之间位置、速度和姿态信息的转换关系。仿真分析表明：凝固地理系可以解决现有机械编排在极点附近无北向基准所引起的问题，导航参数连续并且无原理性误差，可以满足飞机在极区飞行时的需要。     

基于度中心性的AFDX网络拓扑生成

航空电子系统随着任务需求和技术的发展不断向深度综合演进,其系统的复杂性给网络的设计和验证带来了巨大的挑战,如何通过网络生成实现受限资源条件下航电信息交互的实时性能保障是目前亟待解决的问题。针对目前存在的无法对航电网络进行实时性调控的拓扑设计方法进行改进,依据终端节点之间所有虚拟链路的最大通信帧长之和的大小关系,提出一种基于度中心性理论的航空电子全双工交换式以太网（AFDX）网络拓扑生成算法。将终端节点之间数据帧长作为节点度的衡量标准,对所有终端节点进行集合划分,并根据集合中终端节点的数据帧长对交换机进行连接。采用确定性网络演算以及仿真的方法对基于度中心性的AFDX网络拓扑生成算法进行效能评估。利用确定性网络演算方法,在小规模虚拟链路（VL）的组网下,结果显示:基于度中心性的拓扑生成算法生成的网络拓扑中75%的VLs实时性能优于原始人工设计的网络拓扑,且端到端延迟平均减小9.37%。利用OMNet++仿真方法,在1 400条虚拟链路的组网规模下,结果显示:基于度中心性的拓扑生成算法生成的网络拓扑中94.3%的VLs实时性能优于人为规划网络拓扑,且端到端延迟平均减小50.2%。由此表明:基于度中心性的拓扑生成算法很大程度上提高了网络的实时性能保障。      

一种地标点修正的高精度双目视觉导航方法

自主导航技术是无人机、智能机器人以及智能车辆等技术领域中的一项关键技术。为了克服传统视觉导航方法存在的不足,以摄像机自运动估计为理论基础,提出了一种使用地标点修正的高精度双目视觉导航方法。该方法从连续图像序列的帧间变化中提取摄像机自运动信息,再通过速度、角速度积分求得载体的位置姿态等参数。同时,通过引入地标点提供的绝对定位信息,进一步提高了长时间导航的精度。将地标点绝对定位与双目视觉相对定位相结合,并对双目视觉量测噪声建模和解相关,抑制了单纯使用双目视觉长时间导航时误差的积累发散。仿真结果表明此方法具有精度高、自主性强、导航信息完备等优点。     

基于修正似然滤波的无人机编队相对导航方法

针对无人机编队相对导航系统中视觉导航传感器量测数据存在随机时延问题,提出一种能够处理多步随机延迟量测的修正似然容积卡尔曼滤波（ML-CKF）算法。用多个伯努利随机变量对量测模型进行修正以描述随机延迟;通过边缘化延迟变量来计算滤波的似然函数以从延迟量测中提取准确的信息;采用三阶球面-径向容积准则计算高斯加权积分以解决系统的非线性。滤波中的加权因子根据接收量测的特性进行调整,因此,所提修正似然滤波具有自适应卡尔曼滤波属性。利用罗德里格斯参数表示姿态误差,设计了基于修正似然容积卡尔曼滤波的相对导航滤波器。仿真结果表明：所提算法可以准确地估计出长机和僚机之间的相对位置、速度和姿态,且估计精度高于容积卡尔曼滤波和传统随机时延滤波。     

多星对合作目标的分布式协同导航滤波算法

针对多颗在轨卫星对空间合作目标的协同导航问题,提出了一种适用于协同导航的分布式球面单形-径向容积求积分卡尔曼滤波（DSSRCQKF）算法。为了计算非线性滤波中的高斯加权积分,分别使用球面单形准则和二阶高斯-拉盖尔求积分准则计算球面积分和径向积分,提出了一种新的球面单形-径向容积求积分准则。将该准则嵌入分布式卡尔曼滤波框架中,结合协同导航的非线性数学模型,给出适用于协同导航的DSSRCQKF算法,该算法要求每颗导航星仅与其邻居星进行通信,通过数据的分布式融合实现对目标星轨道状态的一致估计,从而避免了传统集中式处理中较高的通信和计算压力。仿真实验结果表明,与分布式卡尔曼滤波相比,本文算法将对合作目标的实时定位精度提高了11 m,定速精度提高了0.02 m/s,从而验证了本文算法的有效性。      

基于稳定分簇的移动自组织网络路由协议

移动自组织网络的动态拓扑特性给其分簇路由协议的设计带来了一定的挑战,而分簇算法作为分簇路由协议中重要的技术手段,如何建立一种有效稳定的分簇机制,对分簇路由协议的性能至关重要。本文在大规模网络环境下,提出一种稳定的分簇算法,并在此基础上提出一种分簇路由协议。为提高网络性能,该分簇路由协议簇间采用被动模式,簇内采用主动模式,并且各个分簇由簇首、网关、访客和普通簇节点组成。仿真结果表明:该分簇算法减少了簇的数量和簇成员在簇间的切换次数,提高了分簇的稳定性。相应的分簇路由协议较该类协议也降低了网络的平均端到端时延和平均路由开销,提高了数据包接收的成功率。      

基于PPO的移动平台自主导航

为解决强化学习算法在自主导航任务中动作输出不连续、训练收敛困难等问题,提出了一种基于近似策略优化(PPO)算法的移动平台自主导航方法。在PPO算法的基础上设计了基于正态分布的动作策略函数,解决了移动平台整车线速度和横摆角速度的输出动作连续性问题。设计了一种改进的人工势场算法作为自身位置评价,有效提高强化学习模型在自主导航场景中的收敛速度。针对导航场景设计了模型的网络框架和奖励函数,并在Gazebo仿真环境中进行模型训练,结果表明,引入自身位置评价的模型收敛速度明显提高。将收敛模型移植入真实环境中,验证了所提方法的有效性。     

卫星不足情况下低成本MEMS-INS/GPS伪松组合导航

为了解决GPS可观测卫星不足情况下低成本微电子机械-惯性导航系统/全球定位系统（MEMS-INS/GPS）组合导航精度维持问题,提出基于灰色模型和自适应卡尔曼滤波的MEMS-INS/GPS伪松组合导航方法。以MEMS-INS/GPS松组合导航模式为框架,建立了伪松组合导航系统的状态空间模型。基于MEMS-INS/GPS的历史观测数据,使用灰色模型对MEMSINS/GPS观测差值进行预测,称为系统伪观测量。当GPS可观测卫星充分时,使用噪声自适应估计卡尔曼滤波对MEMS-INS/GPS进行松组合导航;当GPS可观测卫星不足时,使用噪声自适应估计卡尔曼滤波依据系统伪观测量,将MEMS-INS/GPS进行伪松组合导航。以车载低成本MEMSINS/GPS组合导航系统为例进行仿真和实验验证,结果表明：当GPS可观测卫星不足时,传统的MEMS-INS/GPS松组合导航精度迅速下降并发散,而MEMS-INS/GPS伪松组合导航精度与GPS正常工作时的导航精度相差不大,维持了较高精度的导航状态。     

基于时空图卷积网络的无人机网络入侵检测方法

无人机网络相比地面网络具有节点快速移动、拓扑结构变换频繁和通信链路不可靠的特点,传统的针对地面网络的入侵检测方法难以适用。针对无人机网络的时空动态特性进行建模,提出了一种无人机网络的入侵检测方法——基于注意力机制的时空图卷积网络（ATGCN）。将图卷积网络和门控递归单元组合为时空图卷积网络,从复杂多变的数据中提取网络的时空演变特征,通过注意力机制提取和入侵检测最相关的特征,输入支持向量机进行分类预测。多个数据集的实验分析表明:所提方法能够适应无人机网络的动态性和不稳定性,相比传统检测方法准确率高且误报率低,具有良好的鲁棒性和适应性。      

Star angle/ double-differenced pulse time of arrival integrated navigation method for Jupiter exploration

Pulsar navigation is a promising autonomous navigation system for spacecraft, which is applicable to the entire solar system. However, the pulsar’s directional error and the onboard clock error are two types of systematic errors that seriously reduce navigation accuracy. To solve this problem, a star angle/double-differenced pulse time of arrival(SA/DDTOA) integrated navigation method is proposed. Since measurements obtained by observing different pulsars contain the same clock errors, the measurements can be differed to eliminate the common clock error. Then, the pulsar-differenced measurements at neighbor filtering time can be differed to suppress the effect of the pulsar’s directional error on navigation precision. Star angle is used to obtain absolute navigation information, which denotes the angles between the light of sight of Jupiter and that of its background stars. Simulation results demonstrate that the proposed method can eliminate the influence of the onboard clock error and greatly weaken the effects of the pulsar’s directional error. The navigation accuracy is better than the traditional star angle/pulse time of arrival integrated navigation method and star angle/pulse time difference of arrival integrated navigation method. In addition, the navigation accuracy of the SA/DDTOA integrated navigation method is less affected by Jupiter’s ephemeris error. This work greatly reduces the influence of common systematic errors in pulsar navigation on navigation accuracy.     

混合式惯导系统姿态四元数连续自标定模型

混合式惯导系统作为一种新型惯导系统,具有三轴全姿态物理平台、捷联姿态算法和系统装机自标定等特点。针对以上特点,为提高其导航定位精度,在混合式惯导系统框架角约束方程的基础上,利用姿态四元数代替欧拉角描述混合式惯导系统中三轴物理平台的转动,建立了一种混合式惯导系统姿态四元数连续自标定模型对其进行误差系数标定。针对该模型的特点,对传统的无迹卡尔曼滤波（UKF）算法进行改进,提出了一种基于奇异值分解的四元数无迹卡尔曼滤波（SVD-QUKF）算法进行模型误差系数辨识。仿真和试验结果表明,基于SVD-QUKF算法,四元数连续自标定模型能够以低于1%的相对误差标定出混合式惯导系统所有的误差系数,在标定精度和计算速度上相比基于传统UKF算法的框架角自标定模型都具有一定优势。      

Multi-rover navigation on the lunar surface

The paper presents a method of determination an accurate position of a target (rover, immobile sensor, astronaut) on surface of the Moon or other celestial body devoid of navigation infrastructure (like Global Positioning System), by using a group of self-calibrating rovers, which serves as mobile reference points. The rovers are equipped with low-precision clocks synchronized by external broadcasting signal, to measure the moments of receiving radio signals sent by localized target. Based on the registered times, distances between transmitter and receivers installed on beacons are calculated. Each rover determines and corrects its own absolute position and orientation by using odometry navigation and measurements of relative distances and angles to other mobile reference points. Accuracy of navigation has been improved by the use of a calibration algorithm based on the extended Kalman filter, which uses internal encoder readings as inputs and relative measurements of distances and orientations between beacons as feedback information. The key idea in obtaining reliable values of absolute position and orientation of beacons is to first calibrate one of the rovers, using the remaining ones as reference points and then allow the whole group to move together and calibrate all the rovers in-motion. We consider a number of cases, in which basic modeling parameters such as terrain roughness, formation size and shape as well as availability of distance and angle measurements are varied.