一种无人机平滑飞行轨迹规划方法

针对现有无人机飞行轨迹规划结果存在折点的问题,提出了一种给定威胁分布下的无人机平滑飞行轨迹规划方法.该方法根据战场威胁分布确定无人机可行节点,并依据威胁代价与距离代价构造综合代价指标,生成赋权图;采用Dijkstra算法求解一条由初始点到目标点综合代价最优的参考轨迹,并可根据任务需求对综合代价指标的权值进行调整,得到满足任务要求的参考轨迹.在参考轨迹基础上,结合无人机自身机动性能约束,采用圆弧拟合方法生成无人机平滑飞行轨迹.仿真结果表明该方法可以快速生成满足任务需求的无人机平滑飞行轨迹.     

无人机通信中基于短包传输的能/谱效折中优化

在基于认知物联网的无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)辅助通信中，频谱效率(spectral efficiency, SE)和能量效率(energy efficiency, EE)的优化问题备受关注。针对低延迟高可靠性的通信需求，分析认知UAV通信中的短包传输问题。与传统认知网络相比，基于短包传输的通信存在不可忽视的包错误率。通过研究包错误率、感知时间和UAV发射功率对SE和EE的影响，证明了SE和EE关于感知时间和发射功率的最大值无法同时获得。在此基础上，提出高效的联合优化算法实现了SE/EE的折中优化。数值和仿真结果证明了理论分析的正确性，并验证了所提算法的有效性。     

利用高斯伪谱法求解具有最大横程的再入轨迹

为了使升力式飞行器再入大气层后取得最大横程,采用高斯伪谱方法求解最优再入轨迹。利用微分形式高斯伪谱方法将飞行器三自由度再入轨迹优化问题转化为非线性规划问题,选取高斯节点上的状态量和控制量作为待优化参数,并将最优性能指标选为横程最大,然后对再入轨迹进行了求解。通过与按最大升阻比飞行方案所得结果进行对比,表明按所提方法求取的再入轨迹优于后者。此外,仿真过程还说明高斯伪谱法对状态猜测值并不敏感,算法容易收敛,适用于轨迹优化问题的求解。     

可重复使用运载器的上升段轨迹线设计

可重复使用运载器的上升段飞行过程较为复杂,其轨迹线设计是一个多约束的非线性规划问题,优化求解较为困难。为形成较为实用的上升段轨迹线设计策略,将上升段分成投放分离段、拉起点火段、动力爬升段和无动力爬升段四段进行分析设计。通过各段运动特点的分析,各段采用不同的轨迹策略,确定所需要设计的参数及其范围,将各种物理约束及末端条件约束转换成适应度函数,最后将轨迹优化问题转化成设计参数的寻优问题,通过具有很强非线性搜索能力的粒子群优化算法对参数进行优化求解。结果表明,设计的轨迹线能很好地满足任务指标。     

面向用户最大覆盖的多空中基站布局方法

以无人机为平台的空中基站(unmanned aerial vehicle base station, UAV-BS)部署灵活、通视较好,在应急通信场景中具有独特优势,但是UAV-BS位置对通信组网效能具有重要影响,如何优化UAV-BS部署位置,特别是多UAV-BS位置布局是一个关键问题。本文考虑对地面终端用户最大化的覆盖且尽可能降低基站发射功率,提出多UAV-BS定位模型。首先,基于通信区域视线(line-of-sight, LoS)和非视线(non-line-of-sight, NLoS)传输统计特性计算最大覆盖半径及相应UAV-BS定位的高度。在此基础上,将基站水平定位布局视为多圆覆盖问题,构建覆盖用户数最多的非线性约束优化模型,并在保持用户覆盖最大化的前提下,进一步优化各UAV-BS发射功率。然后,基于最小覆盖圆问题和遗传算法对定位模型进行求解,计算具有低阶多项式的时间复杂度。最后,通过仿真验证了所提方法的有效性,结果表明所提方法能够实现UAV-BS组网3D布局,并能最大化用户覆盖和降低基站功率。     

基于高斯过程回归的大气进入段航天器飞行能力预测方法

轨迹优化技术是目前大气进入段研究的关键技术之一,如何在大气进入动力学复杂、航天器设计参数各异以及进入过程多约束的条件下,对进入轨迹性能参数进行评估是轨迹设计研究的重要问题。对此，以二维落点走廊为表征的大气进入段最大飞行航程作为性能指标,针对传统轨迹优化方法求解计算量庞大的问题,提出了一种基于高斯过程回归(Gaussian process regression, GPR)的大气进入段航天器飞行能力快速预测方法,挖掘航天器进入初始轨迹参量与轨迹包络特征参量之间的映射关系,求解航天器最大航程时避免了复杂的动力学建模以及大规模的迭代寻优过程。利用所提方法对1 000余组不同进入场景的进入轨迹最大航程进行快速预测,将预测结果用于进入段航天器飞行能力评估,为解决大气进入领域相关工程问题提供参考。     

一种基于光纤网络实时飞行仿真系统

提出了一种基于广播内存光纤网的分布式无人机实时飞行仿真系统,通过对系统数据交换网络和功能节点的设计克服了一般的网络环境中存在通信延迟和有限带宽等缺点,使系统实时性和扩展能力都得到保证。系统按照节点功能分为无人机动力学、运动学特性仿真,传感器的仿真,实时仿真飞行数据、飞行轨迹、三维视景显示与数据记录和遥控/遥测与地面检测等部分。半物理实时飞行试验结果表明系统设计正确,满足新型无人飞行器飞行控制系统的内、外回路动态控制功能和性能测试与验证要求。     

基于高斯过程回归的大气进入段航天器飞行能力预测方法

轨迹优化技术是目前大气进入段研究的关键技术之一,如何在大气进入动力学复杂、航天器设计参数各异以及进入过程多约束的条件下,对进入轨迹性能参数进行评估是轨迹设计研究的重要问题。对此,以二维落点走廊为表征的大气进入段最大飞行航程作为性能指标,针对传统轨迹优化方法求解计算量庞大的问题,提出了一种基于高斯过程回归(Gaussian process regression, GPR)的大气进入段航天器飞行能力快速预测方法,挖掘航天器进入初始轨迹参量与轨迹包络特征参量之间的映射关系,求解航天器最大航程时避免了复杂的动力学建模以及大规模的迭代寻优过程。利用所提方法对1 000余组不同进入场景的进入轨迹最大航程进行快速预测,将预测结果用于进入段航天器飞行能力评估,为解决大气进入领域相关工程问题提供参考。     

基于PCE方法的无人机轨迹规划与分析

针对无人机轨迹规划过程中不确定因素的特点,提出了一种利用多项式混沌展开(polynomial chaos expansion,PCE),并获得基于人工势能法的模型最优参数的无人机轨迹规划方法.通过建立PCE代理模型,利用随机配置点法进行快速求解,规避了对已有的最优控制模型直接优化带来的计算资源不足的问题;通过Sobol...     

高超声速伸缩式变形飞行器再入轨迹快速优化

针对高超声速变形飞行器再入轨迹优化问题, 研究了一种基于改进高斯伪谱法(Gauss pseudospectral method, GPM)的快速优化方法。首先,针对一种采用伸缩式机翼的高超声速变形飞行器, 建立了将展长变形量扩展成为控制变量的再入轨迹优化模型。其次, 采用GPM将轨迹优化问题转化为非线性规划(nonlinear programming, NLP)问题, 并基于NLP偏导数的稀疏性推导目标函数梯度和约束Jacobian矩阵的高效计算方法。最后, 优化求解了变形飞行器的最大横向航程、再入可达区、最大终端速度和最小飞行时间。仿真结果表明, 推导的梯度计算方法可有效提高优化求解效率, 变形飞行器相对于固定外形飞行器的性能更加优越, 最大横向航程、可达区覆盖范围、最大终端速度和最小飞行时间等指标均有显著提升。     

全双工窃听下的无人机通信保密性能分析

针对无人机能量受限且通信易受到窃听攻击的问题,提出一种基于能量采集的无人机无线供电通信模型,并分析其在全双工主动窃听下的保密性能.首先,采用基于仰角的视距和非视距路径损耗模型对地空无线信道进行建模.然后,将无人机的传输中断概率限制在一个可容忍的最大阈值内,得到基站的最优编码速率,进而推导出无人机的保密中断概率的解析闭合...     

卫星通信下行链路鲁棒安全波束成形设计

针对多波束卫星通信系统下行链路存在多个窃听者的场景, 在仅已知窃听者大概位置的条件下, 提出了两种鲁棒安全波束成形(beamforming, BF)方案。一种是基于卫星总发射功率受限条件下的系统安全速率最大化准则, 提出了基于广义瑞利商的鲁棒BF方案, 得到了BF权矢量的解析解。另一种是基于安全速率和卫星总发射功率约束下的安全能效最大化准则, 提出了一种分式规划、罚函数以及凸差(difference of convex, DC)规划理论相结合的嵌套迭代算法, 完成鲁棒BF设计。仿真结果表明, 跟传统的非鲁棒BF方案相比, 所提出的两种鲁棒BF方案能够获得更好的安全性能。     

基于无人机辅助边缘计算系统的节能卸载策略

针对复杂地形中地面基础设施无法有效提供可靠通信和密集算力的问题,首先提出一种基于无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)托管计算资源的卸载方案.考虑用户终端的计算需求,计算任务的时延约束,以及UAV的能量约束,构建了一种以最小化用户终端计算和卸载能耗为目标的UAV辅助边缘计算模型.其次,通过将原...     

Underlay认知无线电网络功率与允入控制优化算法

频谱共享认知无线电网络中允入控制算法对系统总吞吐量、总传输概率及认知用户中断概率的影响,并提出两种新功率与允入控制联合优化算法。所提算法基于信干噪比与功率对应关系,引入有效信干噪比、有效链路增益比两个新权值。在非可行系统中依据新权值逐步移除违规认知用户,使允入认知用户数目最大化并有效控制总传输功率。在可行系统中利用新权值将“极大-极小”服务质量和总吞吐量优化两个问题转化为易解决的传统线性规划问题。仿真实验结果表明,新算法复杂度低、用户中断概率小且系统吞吐量大。     

多约束条件下非连续助推弹道方案设计与优化

研究了考虑动压、过载、控制量以及终端状态等多约束条件下的非连续助推弹道方案设计与优化问题。首先,结合最优控制理论,推导了脉冲作用期间的飞行程序;然后,在综合考虑弹道约束条件的基础上,合理设计非连续助推弹道方案;最后,针对经典粒子群算法收敛速度慢、易陷入局部最优解的缺点,采取了惯性权重自适应变化及扰动策略,以适应复杂弹道优化问题。仿真算例及结果表明,设计的非连续助推弹道方案能够满足各项约束,改进的粒子群算法能有效解决多约束下非连续助推弹道优化问题,优化方案的射程比原方案提高了6.69%,比连续助推弹道提高了14.09%,优势较明显。     

飞翼无人机机动飞行非线性鲁棒自适应控制

机动飞行能力作为无人机任务扩展的重要保证,受到各国的普遍重视。针对飞翼布局无人操纵能力不足、非线性和耦合性强的特点,提出一种非线性自适应控制方法。在所提的控制结构中,内环线性化解耦消除已知不利的耦合项,外环反步跟踪方法进行航迹跟踪,并采用粒子群补偿器补偿各种扰动和不可建模的耦合项,保证系统对各种扰动的自适应能力,且证明了该控制结构的稳定性。同传统反步控制方法相比,所提控制器增加了内环解耦结构。不同于传统的动态逆解耦控制方法,本文在控制结构中保留气动阻尼项,使得线性化后的系统为弱非线性系统。该结构不仅可以降低外环控制器设计的保守性,而且便于工程实现。仿真结果显示,该控制方案是有效的。     

串置翼垂直起降无人机过渡机动飞行控制

针对新型串置翼布局推力矢量无人机在垂直起降、过渡机动飞行过程中强非线性、强耦合及控制冗余的问题,采用动态逆控制方法设计全局控制系统,无需针对不同飞行模式切换控制策略。在此基础上,提出二级递进式控制分配策略,将序列二次规划、链式递增方法相结合,对航迹回路和姿态回路的控制量进行综合优化分配。同时,根据任务需求及飞行状态,基于离线数据库在线实时更新直接力控制分配目标函数权值。采用松弛约束策略,局部放宽非线性优化问题约束,增加优化求解速度。仿真结果表明该控制器能够有效跟踪高机动目标航迹。     

基于模型转换频率估计的低空目标分类

为解决传统机械扫描预警雷达的低空目标分类问题, 提出一种利用模型转换频率估计的飞鸟与无人机目标分类方法。首先, 建立可能的无人机和飞鸟目标运动模型, 进而对目标轨迹进行多模型滤波和平滑处理。然后, 通过估计目标的模型转换频率实现目标分类。仿真结果验证了所提方法的鲁棒性和有效性, 证明经过平滑处理的目标分类结果优于仅经过滤波处理。针对低空预警雷达在机场和海岸环境中采集的真实数据, 在无人机频繁改变飞行方向模拟飞鸟机动性特征的情况下, 所提方法仍然可以较好地跟踪和区分无人机与飞鸟目标, 大幅降低了雷达系统的虚警率。     

认知无线网络中准入控制和功率控制联合优化

提出了一种基于离散的粒子群算法和单纯形法的优化机制来实现准入控制和功率控制的联合优化方案。在主用户干扰温度门限和次用户QoS的约束下,将准入控制建模成0/1组合优化问题,并将功率控制建模成线性约束问题,由于准入控制是NP难,该方案将准入控制和功率控制进行加权规划进行优化,同时,为降低计算复杂度,提出一种针对准入控制组合优化的可行性验证方法。并且针对离散的粒子群算法的收敛性进行了证明。仿真与分析表明,该方案具有收敛性,相比其他优化方案,能更有效地提高用户准入量并降低用户功率消耗,提高网络性能。     

倾转四旋翼自主降落的设计与仿真

针对四旋翼飞行器欠驱动性,提出一种用于自主降落的倾转四旋翼模型。该模型通过使用四个舵机对电机方向的控制来对位置（y）和姿态（roll）进行解耦,可实现倾斜悬停与倾斜飞行,增大了无人机的灵活性,提高了对无人机的位置和姿态的精确控制,使得跟踪和降落效果得到了提高。选取5次多项式来规划轨迹,以求鲁棒性强、距离最优。运用Matlab/Simulink对倾转四旋翼模型分析并验证,结果表明具有该结构的飞行器能够更加快速、准确地降落在斜面或移动平台上。