时变拓扑卫星集群分布式自主相对导航方法

针对时变拓扑卫星集群的相对导航需求,提出了基于图论的时变拓扑分布式一致性无迹卡尔曼滤波算法。首先给出了固定拓扑卫星集群的相对运动方程、测角测距测量模型和无迹卡尔曼滤波算法,然后考虑测角失效时相对导航系统不可观或弱可观的问题,结合矢量环一致性约束,构造了一致性无迹卡尔曼滤波算法,以提高系统的可观度;在此基础上,针对时变拓扑卫星集群,以滤波精度为优化指标,在图论的基础上利用Dijkstra算法对卫星集群的时变拓扑结构进行重构,并将重构后的拓扑结构应用于卫星集群相对导航。仿真结果表明所提算法能有效改善不完备测量带来的模糊轨道问题,并且能够实现实时的拓扑重构,以满足时变拓扑星群的相对导航精度要求。     

集群卫星网络信息拓扑控制技术探讨

集群卫星网络所具有的高动态拓扑、信息异构及灵活组网的特性,使其对信息层面的拓扑控制提出了新的挑战,需要在现有的卫星网络拓扑控制技术的基础上进一步研究。在深入解析集群卫星网络信息拓扑控制内涵的基础上,根据集群卫星网络特点,提出通用的集群卫星网络信息拓扑模型及星地拓扑控制策略,并对现有的卫星拓扑控制算法进行分类说明,根据拓扑的分类方法,分析不同卫星拓扑控制技术在运用于集群卫星网络中的限制条件,最后针对应用需求及技术特点,指出集群卫星网络拓扑控制技术的发展趋势及研究方向。     

基于群体智能的微纳卫星集群自主控制系统研究

随着卫星应用需求的发展,越来越多的航天任务已经不能仅靠单颗卫星来完成,而必须依靠多颗微纳卫星集群联合工作才能完成。文章针对星群面临的在轨运行管理和效能问题,研究了基于群体智能的微纳卫星集群自主控制系统,包括星群自主认知与自主决策技术、构型建立维持与重构技术和星间高低速协同通信技术等3个方面,对星群集群控制典型应用场景进行了仿真验证,结果表明：集群自主控制能够满足星群任务的实时性、轨道构型误差和星间动态网络等指标要求,可为推动微纳卫星集群在轨应用提供技术支撑。     

一种卫星编队整体机动的规划方法研究

针对卫星编队整体机动的难点,充分考虑编队的“群”运动特性,按照先规划参考卫星轨迹,后规划伴随卫星轨迹的思路,提出一种整体机动的分步规划策略。采用Gauss伪谱法优化参考卫星的轨迹,并检验优化结果的最优性;根据整体机动过程中的路径约束,以参考卫星的轨迹为参考,规划伴随卫星的可行飞行区域;根据终端约束条件,在可行区域规划伴随卫星的飞行轨迹;引入动态逆的思想,根据伴随卫星飞行轨迹反推相应的控制量;最后,分析了伴随卫星轨迹在控制上的可行性,并分析了整体机动轨迹最优性性能。仿真分析表明,该方法计算量小,能满足整体机动的任务要求。
     

通信拒止环境下的导弹集群多目标分配与决策方法

针对通信拒止复杂环境下的导弹集群多目标分配问题,提出一种分布式的多目标分配与决策方法。基于弹-目攻防性能指标,设计时间戳、获胜导弹、获胜投标、优势度等列表,通过一致性和拍卖阶段,优化目标分配方案,并借鉴自然界鸟群、鱼群等群居性生物的群体协同运动机制,利用“避撞-结队-聚集-攻击”集群行为规则模型(Separation Alignment Cohesion Offense, SACO),结合集群动态拓扑交互机制,建立支持不同通信拒止等级环境下的导弹集群运动决策模型,使导弹集群涌现出宏观的作战行为。仿真结果表明,本文设计的方法能够在不同通信拒止等级条件下进行多目标分配和决策,涌现出宏观的集群作战行为,并具有较好的优化性能,其计算效率相对于其他方法具有更明显的优势。     

卫星集群网络仿真建模与路由算法性能分析

卫星集群是一类基于星间协同工作的分布式卫星系统,具有空间结构灵活、数据共享、智能服务等特点。针对当前卫星集群网络仿真平台及其路由算法的研究的不足,基于网络仿真软件NS-3与卫星场景分析软件STK,设计了卫星集群生成模块,搭建了更准确、通用且可扩展的卫星集群网络仿真平台。通过同单一的STK卫星轨道数据对比,验证了仿真平台中卫星运动模块的有效性。对AODV(自组网按需距离矢量路由),DSDV(目标序列距离矢量路由)和OLSR(链路状态优化路由)算法应用在卫星集群网络中的性能进行了仿真。结果表明:OLSR算法在卫星集群网络中性能最优,其分簇和链路状态感知机制可为卫星集群网络路由算法的研究提供借鉴。     

分布式卫星编队飞行队形保持协同控制

针对分布式卫星编队飞行队形保持控制问题提出一种分布式协同控制算法,并给出该协同控制算法与编队卫星星间信息传递拓扑结构之间的关系。该协同控制算法以模型预测控制为基础,利用分布式编队卫星的自然特性以及编队卫星之间的信息传递拓扑结构,采用分布式的算法结构,设计分布式的模型预测协同控制算法。该控制算法是一种在线滚动优化控制算法,同时能够较好地解决存在状态约束、控制输入约束等情形下的各种控制问题。最后通过数值仿真验证了结果的有效性。仿真结果表明,当编队卫星星间信息传递拓扑结构中存在生成树时,提出的分布式协同控制算法能够有效地应用到编队卫星队形保持控制问题上来。     

基于序列二次规划算法的再入轨迹优化研究

介绍了序列二次规划算法在飞行器再入轨迹优化问题中的应用.首先引入了能量替代变量对无量纲运动方程进行推导,使得运动方程和优化问题易于处理,考虑严格的过程约束和终端约束,以攻角和倾侧角为控制变量,总加热量最小为性能指标;然后通过直接配点法将最优控制问题转化为非线性规划问题,选取各节点的状态量和控制量作为优化参数;最后应用序列二次规划算法对非线性规划问题进行求解.针对多约束的再入飞行器的轨迹优化时对初值敏感的问题,提出一种参考轨迹快速规划算法,提高了优化速度.仿真结果表明提出的方法能够较快地搜索到最优轨迹,满足所有约束且落点精度高.     

多约束下小卫星的能量最优主动碰撞规避控制

针对小卫星间近距离的碰撞问题,提出一种多约束下能量最优的主动碰撞规避控制。该算法建立小卫星的运动学模型和约束模型,通过坐标变换将质心坐标系下的运动映射到地球惯性坐标系,然后通过约束的限制来制定碰撞规避策略,最后选取小卫星能量最优化指标和哈密顿函数,给出最优条件下的速度增量和方向,通过Matlab仿真给出惯性系下碰撞过程中的规避轨迹,证明设计的碰撞规避控制的有效性和可行性。     

卫星进入和离开编队机动轨迹规划及控制

本文研究卫星编队重新配置机动中在碰撞避免约束条件下故障星离开编队以及备份星进入编队的轨迹规划及控制策略,研究表明选择机动的启动时刻不但能够构成所需要的编队构型,而且可以节省燃料、实现碰撞避免,以太阳同步轨道卫星编队为对象进行的仿真显示控制策略是简单、有效的。     

移动自组网MAC协议组网和业务调度算法研究

为满足无中心的移动自组网对多变网络拓扑、实时通信和网络规模可扩展的需求,提出一种网络建立时间短、时延短和信道利用率高的MAC协议策略。通过网络分簇组网算法建立健壮高效的组网模型,利用时隙动态复用算法实现基于竞争的TDMA接入协议,从而提高信道利用率和网络吞吐量。在NS2中对单簇20个节点作性能仿真,分析多种队形的网络拓扑以及端到端时延,并对固定TDMA和基于竞争的TDMA接入方式做了对比实验。仿真结果显示,各种拓扑结构的网络建立时间都很短,基于竞争的TDMA接入方式相比固定TDMA可获得更高的网络吞吐量和更短的端到端时延。     

动态跳波束策略中的自适应波束功率分配算法

多波束卫星发射机的成本很高,同时地面小区的通信需求和通信优先级一直处在动态变化中。通过研究一种动态波束跳跃策略,实现在卫星资源受限和较少发射机数量约束下的广域覆盖和按需服务。区别于传统的分簇波束跳变思想,为了提高卫星系统的频谱效率,考虑在整个频率带宽上应用全局波束跳变。因此考虑在共信道干扰背景下,提出一种新型服务质量指标来衡量波束跳变结果。在卫星资源有限的情况下,各波束提供的通信容量不能满足地面小区的业务请求,基于粒子群算法选择的波束跳动图案,提出了一种自适应波束功率分配算法。该算法通过优先级加权,最小化波束业务容量需求差值,进而提高服务质量水平。最后,通过仿真验证了所提算法的性能优越性。     

吸气式高速飞行器爬升-巡航轨迹在线优化

针对吸气式高速飞行器的大气层内爬升和巡航飞行段,进行了在线轨迹优化设计。与传统的爬升段结合定高定速巡航轨迹形式不同,采用优化的方法得到的轨迹能够保证性能指标的最优性。首先,将轨迹优化问题建模为非线性最优控制问题,控制量包括攻角、倾侧角以及燃油当量比。然后,对问题的非线性进行了处理,将变量进行离散化,得到凸优化问题。分析了飞行器的气动和推力特性,设计了优化变量的初始参考。最后,设计算法的外环迭代策略,将每一次求得的解作为参考轨迹进行下一次迭代计算。数值仿真结果表明,该方法能够解决吸气式高速飞行器爬升巡航段轨迹优化问题,并且求解时间满足在线轨迹优化要求。     

一种高动态卫星网络的拥塞控制算法

针对卫星网络通信路径发生改变引起往返时延突变,导致现有的拥塞控制机制中超时重传时间估计不准确,并对拥塞窗口计算产生不利影响的问题,提出一种基于链路长度的带宽估计TCPW\|BLC算法。该算法通过计算通信链路长度合理调整拥塞窗口、慢启动阈值及超时重传定时器中相关参数的增益因子,使拥塞控制算法在往返时延突变情况下仍保持较高吞吐量,适应卫星网络动态环境特性。NS2仿真结果表明,TCPW\|BLC算法相比TCPW算法在卫星网络中吞吐量性能提高了2.8%,有效降低了时延突变给拥塞控制机制造成的不利影响。     

低轨卫星高能效载波功率资源联合调度算法

结合多波束低轨(multi-beam low earth orbit, MB-LEO)卫星通信场景,研究了一种多目标载波功率联合优化(joint subcarrier scheduling and power control resource allocation, JSSPC-RA)算法。通过求解整数混合规划非凸优化问题,得到了不同通信需求下MC-DS-CDMA子载波和子载波功率的联合调度方案,实现了系统用户未满足容量和卫星总功耗的最小化。仿真结果表明,相对于传统的载波功率均分策略,JSSPC-RA算法能够在满足系统吞吐量需求的前提下大幅节省卫星总功耗;同时,通过调节权值系数,JSSPC-RA算法可以生成用户吞吐量需求与卫星总能耗折中的系统设计方案,适用于频谱、能量资源高度受限的MB-LEO卫星系统。     

双体卫星对日定向姿态机动控制

研究了双体卫星(DFP)对日定向姿态机动控制问题。首先分析双体卫星工作机理,建立载荷舱与平台舱姿态模型,推导磁浮机构线圈和磁钢相对距离的数学表达式。提出基于PD控制的载荷舱对日姿态机动、平台舱姿态跟踪以及两舱避碰等控制策略。在此基础上,为提高平台舱姿态跟踪速度,设计反步控制器对平台舱飞轮的动态特性进行补偿。进一步,为提高两舱协同控制性能,对传统PD控制进行改进,提出基于变增益PD控制的载荷舱姿态机动控制律,将两舱相对姿态信息包含在载荷舱对日姿态机动控制律中,有效降低了两舱碰撞风险,提高了两舱姿态机动速度。仿真结果表明,本文控制算法能有效实现双体卫星对日定向,且能避免两舱碰撞。     

基于广义互相关算法的遥测时延提取方法研究

在常规靶场导弹试验中,遥测需解算GNSS弹道数据,但数据解算存在一定时延,导致测量弹道滞后现象,如何提取时延并对弹道进行修正是亟需解决的问题。提出一种基于广义互相关算法的时延提取及弹道修正方法,利用相关函数峰值提取时延,进而对遥测弹道进行修正。通过仿真和试验数据验证算法的正确性,弹道误差值由修正前最大约80m修正到小于10m。