基于滑模变结构控制及预测跟踪的光电吊舱控制方法北大核心CSCD

光电吊舱在稳像和目标跟踪过程中存在摩擦力矩、不平衡力矩等干扰力矩,从而影响速度环响应精度;另一方面,吊舱视频跟踪器图像传输和处理造成的延迟也会造成跟踪滞后,因此必须进行延时补偿。提出基于预测跟踪的滑模变结构控制方法,采用微分预测跟踪器实现对视频跟踪器的延迟补偿,采用预测跟踪器估计出的目标运动角速率构成自适应补偿参数,以调整滑模变结构控制量,改进的滑模控制算法在补偿干扰力矩的同时抑制了抖振现象。仿真及实验结果表明:改进的控制方法能够有效补偿干扰力矩和跟踪器延迟造成的误差,相对于传统PID控制,其跟踪误差减小为原来的1/3,并且该算法已经在相关系统上得到应用。     

光电经纬仪实时引导的实现

在由四台光电经纬仪与雷达组成的测量网络中，为了提高光电经纬仪实时捕获跟踪空间目标的能力，建立基于目标位置估计的实时引导系统.利用滑窗式最小二乘法将光电经纬仪实时交汇数据和雷达的实测数据进行互联，解算出目标的瞬时位置，经时延补偿后获得目标的位置估计，经坐标转换后实现光电经纬仪的实时引导.实时引导系统充分利用了所有测量站的测量信息，可提高引导数据的引导准确度和可靠性.试验结果表明,该方法快速提供的平滑引导数据，不仅能准确将目标引入光电经纬仪的视场，亦可为其他测量设备提供参考数据.     

光电跟踪系统的共轴跟踪控制技术研究

为了提高光电跟踪系统的跟踪精度,对其粗跟踪环节的共轴跟踪控制技术进行了研究。介绍了共轴跟踪控制的基本原理,分析了常用非线性卡尔曼滤波算法,并仿真比较了无迹卡尔曼滤波(UKF)和容积卡尔曼滤波(CKF)的位置和速度的预测精度。在此基础上综合UKF和CKF的优点,设计了对延迟的合成位置信号进行处理的双并联滤波器,实现了光电跟踪系统的共轴跟踪控制。利用实测数据仿真实验表明,光电跟踪系统的跟踪精度明显提高。     

舰载直升机光电系统发展及其关键技术

综述了国外舰载直升机的发展历程及现状,重点阐述了光电系统在美海军直升机作战概念中的战术作用及作战任务。针对美军舰载直升机未来的主战光电系统多光谱目标成像系统,从传感器、视场、图像处理、协同作战等方面分析了舰载直升机光电系统的技术现状与发展趋势,传感器分辨率达到1 280像素720像素,视场从大于40覆盖至小于1;采用共光路及二级稳定,稳定精度小于5 rad;集成图像增强、融合和拼接功能后图像延迟小于1帧;地理定位精度提高至5 m（80 km目标）。最后探讨了舰载直升机光电系统的发展重点与关键技术。     

基于光电校正惯性导航系统的光电桅杆方位角度的修正

针对驻车情况下光电桅杆系统的工作特殊环境,提出基于光电校正INS的光电桅杆方位角度修正方法。采用光电系统定时瞄准某一固定目标,获得参考方位角修正光电系统中惯性导航系统(INS)的方位角误差,然后采用该误差修正INS的方位角,实现抑制INS的方位角误差发散,提高长时间工作情况下光电系统方位角精度。实验表明,在桅杆摆动造成光电系统瞄准目标时的等效方位角误差为0.06°的情况下,以STIM300作为IMU的INS,采用提出的修正方案在60 min内的方位角误差为0.059°,而没有进行修正时在31 min内的误差发散到1.14°。     

光学无线电测量信息融合定位方法

在外弹道测量系统中,将光学设备与无线电设备测量数据进行融合处理,可以提高系统的综合测量水平和设备的使用效率。利用部署在光电经纬仪附近的雷达,建立光电经纬仪和雷达联测定位模型。由全微分公式,根据测站站址差将光电经纬仪的测角信息与雷达的测距信息进行数据融合,可以得到目标相对于雷达的方位角和俯仰角,从而确定目标的空间三维位置;分析了定位模型的主要误差来源和对定位结果的影响。结果表明,光电经纬仪雷达联合定位算法得到的精度优于雷达单台定位精度,联合定位的精度达到2 m以内,同时发挥了光电经纬仪和雷达跟踪测量的长处。     

不同光电平台共享目标信息的方法及误差分析

为了满足车载光电侦察系统在野外环境下能够实时快速将目标信息分享给相关辅助武器系统,提出了一种不同光电平台共享目标信息的方法,并给出了该方法的误差分析。该方法通过引入光电侦察系统的平台姿态角、辅助武器系统的平台姿态角等信息,确保光电侦察系统侦察到的目标信息能够实时、准确地传递给辅助武器系统。为了验证该方法的准确性,通过建模分析,得出该方法能够实现目标信息的共享;通过仿真试验对该方法的误差进行分析,得出该方法转化后的目标信息比直接使用采集到的目标信息在精度方面提高了大约3.5 m。     

自适应惯性／天文器件级组合导航算法研究

在惯性／天文组合导航系统中,天文设备输出信息中所包含的噪声易受外界环境影响而发生变化,使得惯性／天文器件级组合导航数据融合精度受到制约。针对这一问题提出了基于自适应滤波的惯性／天文器件级数据融合算法,该算法在对导航参数误差、惯性器件误差进行滤波估计的同时,对天文量测信息噪声方差阵进行实时推算,从而优化滤波器对天文量测信息的处理,提高导航精度。经仿真试验可知,使用自适应滤波算法进行数据融合,导航位置精度可提高30％,具有理论价值与工程意义。     

基于Matlab和ADAMS的光电稳瞄系统结构控制联合仿真

为了研究多轴多框架光电稳瞄系统的稳定精度并且避免推导其复杂的动力学微分方程,提出了利用Matlab和ADAMS进行光电稳瞄系统结构控制联合仿真的方法。研究了联合仿真模型的方位轴和俯仰轴单位阶跃响应,和在不同方向的随机线振动下的瞄准线惯性角速率,以及在2°、1Hz不同方向角扰动下瞄准线的稳定精度。仿真结果与理论定性分析吻合,表明联合仿真方法可行,可用于后续产品的开发。     

机载光电稳瞄系统实时被动测距方法研究

针对现有直升机机载光电稳瞄系统高精度角度测量和角速率测量的特点,提出一种利用测量目标相对角度和角度变化率等参数实现目标实时被动测距的方法。建立了机载稳瞄平台对地面固定目标定位的数学模型,提出利用系统旋转变压器测量目标角度,利用惯性速率陀螺测量目标角度变化率。该方法使得目标角度变化率的测量精度(优于0.1 mrad/s)比一般光学方法提高了一个数量级。利用扩展卡耳曼滤波(EKF)算法提高目标距离估算精度,保证测量结果的稳定性。理论仿真和外场验证实验结果表明,该方法可以实时估算目标相对载机的距离,适合于武装直升机快速实时目标定位。     

非合作线谱声源分布式定位方法

非合作目标定位是水声定位领域的研究热点。为充分挖掘并利用各类可观测参数,提高非合作目标定位能力,本文提出一种基于目标频率变化信息的非合作目标定位方法。该方法针对匀速直线运动目标的定位问题,首先根据多普勒频移原理,建立观测频率与目标辐射频率、目标运动速度、位置之间的函数映射关系,利用最小均方准则建立目标函数,通过优化算法估计分布式定位系统中各个测量单元与目标运动轨迹的致近点距离,最后综合各观测节点的测距结果,构建几何定位模型,求得目标运动轨迹的解析解。本文通过仿真分析,证明了该方法的有效性,并指出了该方法需要目标通过与各测量单元的致近点才能获得较好的距离估计能力。文中分析了不同频率估计精度对定位精度的影响,结果表明,提出的定位方法对测频精度具有一定的容限,是一种高精度的非合作线谱声源定位方法。     

基于粒子滤波的多普勒信息辅助目标定位跟踪算法

多基地声呐探测系统主要通过测量回波的时延和方位信息进行目标定位与跟踪,定位精度受声速、时延和方位测量误差的影响较大,可以通过多普勒信息辅助进一步提高定位跟踪精度。现有的多普勒信息辅助定位跟踪算法多适用于单基地声呐系统,多基地中的多普勒测量值与目标状态的关系更为复杂,需要研究新的融合方法。该文提出了一种适用于多基地声呐系统的多普勒信息辅助采样重要性重采样目标定位跟踪算法,将多普勒信息融入到粒子滤波的重采样过程,使重采样后的粒子集合更逼近目标的真实状态分布,从而提高了目标定位跟踪精度。数值仿真实验结果表明,提出的目标定位跟踪算法可以有效融合多普勒信息,提升目标定位跟踪精度。     

Infrared/laser multi-sensor fusion and tracking based on the multi-scale model

The state estimation problem of targets detected by infrared/laser composite detection system with different sampling rates was studied in this paper. An effective state estimation algorithm based on data fusion is presented. Because sampling rate of infrared detection system is much higher than that of the laser detection system, the theory of multi-scale analysis is used to establish multi-scale model in this algorithm. At the fine scale, angle information provided by infrared detection system is used to estimate the target state through the unscented Kalman filter. It makes full use of the high frequency characteristic of infrared detection system to improve target state estimation accuracy. At the coarse scale, due to the sampling ratio of infrared and laser detection systems is an integer multiple, the angle information can be fused directly with the distance information of laser detection system to determine the target location. The fused information is served as observation, while the converted measurement Kalman filter (CMKF) is used to estimate the target state, which greatly reduces the complexity of filtering process and gets the optimal fusion estimation. The simulation results of tracking a target in 3-D space by infrared and laser detection systems demonstrate that the proposed algorithm in this paper is efficient and can obtain better performance than traditional algorithm.     

水下垂向运动目标的海底多基站声定位方法及精度分析

针对水下垂向运动目标具有瞬变运动特性、难以对其轨迹进行高精度和高帧率测量的问题,提出一种有水声信标的海底多基站声定位模型,基于高斯-牛顿法给出求解算法,证明了算法满足局部线性收敛条件。数值仿真和精度分析表明,基站站址误差、声速误差和信号时延估计误差通过测量斜距传播到目标位置参数,误差传播过程受接收基阵几何构型、目标相对位置及水声学约束条件等因素影响。在多个海底基站共面条件下,补充海面基站可改进垂向测量能力。利用该方法对全区域进行精度估计,获取了定位性能在空间分布上的细节特征。以水平范围1 km×1 km、水深60 m的海区计算,对于由13个海底基站和1个海面基站构成的14元测量阵,目标运动深度范围为35~60 m,在x,y,z三个方向的均方根误差(RMSE)平均值分别为0.30 m,1.47 m,0.34 m。本文工作为水下垂向运动目标定位提供了一种技术途径,可为测量系统的论证设计提供参考。      

基于倒谱分析的单水听器目标运动参数估计

基于浅海射线声学多途结构,提出了一种具有高稳健性、高精度的单水听器目标运动参估计方法.针对匀速直线运动目标,综合多途时延差和运动学几何关系,构建了目标三维多途时延模型,进而获得目标运动参数与多途时延差的非线性时间映射.研究了典型水声信道的倒谱表达式,提出了利用倒谱提取多途时延差的策略.采用差分进化综合优化手段估计目标运动参数,提高了算法的稳健性.理论及仿真结果表明,倒谱的时间分辨率不受信号带宽的限制,而主要取决于信号类型和信噪比;CW信号的倒谱对多普勒不敏感;参数估计精度主要取决于时延差估计精度和参与差分进化运算的信息量,当包含有最近点信息时参数估计性能较好.水池实验结果进一步验证了方法的正确性和有效性.     

基于数据配准提高光电经纬仪的测量精度

研究了目标相对于视场中存在相对运动时,光电经纬仪测量精度下降,且下降程度与目标相对运动速度的大小相关的现象。基于电视曝光原理分析了这种现象产生的原因,讨论了提高光电经纬仪事后处理精度的新方法。提出了基于目标脱靶量与编码器位置信息的数据配准方法,并对该算法实际操作的可行性进行了分析。实验结果表明,此算法可以使光电经纬仪测量精度改善20%～30%,即CCD像素分辨率从1/2提高到了1/3。     

Crack level estimation approach for planetary gearbox based on simulation signal and GRA

The planetary gearbox is a critical mechanism in helicopter transmission systems. A crack level estimation methodology for planetary gearbox has been devised by integrating a physical model for simulation signal generation, a statistic algorithm for feature selection and a grey relational analysis (GRA) algorithm for damage level estimation. The physical model is used to generate simulation datasets for developing and evaluating the diagnostic scheme that will be further calibrated with real world test data during application. The proposed method was calibrated with historical test data and then validated with real-time test data. The estimation results coincide with the actual test records, showing the effectiveness and accuracy of this method in providing a novel way for more accurate health monitoring and condition prediction.     

不完全量测下长基线系统的水下目标跟踪算法

针对不完全量测情况下长基线系统对水下目标跟踪精度会下降的问题,提出了最小二乘-容积卡尔曼滤波(Least Squares-Cubature Kalman Filter,LS-CKF)算法。选取容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman Filter,CKF)为基本跟踪算法并将其改进为两步滤波模式.增加的第1步滤波使用最小二乘估计优化时间更新阶段的容积点,提高了第2步滤波中量测更新的精度。进一步推导了量测信息为距离时新算法的简化形式,降低了运算复杂度,使其能更好地应用于水下跟踪系统.仿真实验和湖试数据的处理结果表明,在丢失量测数据较多且初始状态误差很大的恶劣情况下,LS-CKF收敛速度比标准CKF算法提升了1倍,且跟踪误差降低10%以上。      

基于广义窗函数和最小二乘支持向量机的混沌背景下微弱信号检测

为了从混沌背景中检测微弱信号,研究分析了复杂非线性系统的相空间重构理论,提出了一种基于广义窗函数的最小二乘支持向量机的预测法. 该方法以广义嵌入窗为基础,利用自关联函数法确定Lorenz系统的嵌入维数和时间延迟, 实现相空间重构,结合最小二乘支持向量机建立Lorenz系统的误差预测模型, 检测微弱目标信号(瞬态和周期信号).仿真实验表明,该方法的预测模型具有较小的误差, 能够有效地从混沌背景噪声中检测出微弱目标信号,减小噪声对目标信号的影响. 与传统方法相比,在降低检测门限的同时,能够有效地提高预测的精度, 在混沌噪声下信噪比为-87.41 dB的情况下,相对于传统支持向量机方法所得的均方根误差0.049(-54.60 dB时)降低近两个数量级至0.000036123(-87.41 dB时).