机载自由空间激光通信移动平台间的非线性跟踪理论研究

Free space laser communication based on airborne platform is the primary means to achieve large capacity data transmission on the future, real time high precision tracking system for airborne platform has become already the one of the best difficult problem. Because of diversity of maneuvering forms and complexity of the space environment, it is impossible to accurately describe the movement of airborne platform with the simple model, in order to solve the tracking for all kinds of maneuvering forms, it is necessary to adopt variable structure multiple model (VSMM) methods for airborne platform tracking system. Considering the typical nonlinear problem in the tracking of the airborne platform, but most of the existing methods of tracking system are assumed to be linear and gaussian noise， which don't match with the actual situation,the particle filter can deal with nonlinear/non-Guassian problems,particle filtering theory is applied to the model of VSMM . This project is planed to carry out from two respects of theory and experiment, with the help of parallel processing computer system, the combination of VSMM and particle filtering theory is applied to build the framework of tracking theory, in order to decrease inherent complex and computational indensity, research focuses on the parallel processing architecture of particle filter, the framework of tracking theory proposes the method of variable structure multiple models based on fuzzy inference to solve uncertainty of models space and transfer matrix model, finally,through the experimental verification, the project can lay the foundation for solution of maneuvering and nonlinear problem for airborne laser communication .

机载自由空间激光通信是实现未来超大容量空间通信的主要途径，高精度实时性的机载平台跟踪问题一直是其研究的难点问题之一。考虑到机载平台机动形式的多样性和环境的复杂性，用单一的模型很难准确描述机载平台的运动状态，因此需要采用多个实时变化的模型描述机载平台的运动状态，即变结构的多模型方法。机载平台的跟踪是一个典型的非线性跟踪问题，然而现有的跟踪理论大多假定跟踪系统是线性的，噪声服从高斯分布，然而实际情况并非如此，考虑变结构多模型中的各模型中采用粒子滤波理论。本项目拟从理论和实验两方面开展工作，借助工作站和并行处理系统，研究将多模型方法和粒子滤波相结合，构建跟踪理论框架，进一步探讨粒子滤波的并行处理结构，提高粒子滤波的运行效率，探索将模型的变结构、模型转移概率与模糊推理相结合解决模型集与测量空间的不确定性，最终通过实验验证上述理论，从而为解决机载通信平台的机动和非线性跟踪问题奠定基础。

机载自由空间激光通信是实现未来超大容量空间通信的主要途径，高精度实时性的机载平台跟踪问题一直是其研究的难点问题之一。考虑到机载平台机动形式的多样性和环境的复杂性，用单一的模型很难准确描述机载平台的运动状态，因此需要采用多个实时变化的模型描述机载平台的运动状态，即变结构的多模型方法。机载平台的跟踪是一个典型的非线性跟踪问题，然而现有的跟踪理论大多假定跟踪系统是线性的，噪声服从高斯分布，然而实际情况并非如此，考虑变结构多模型中的各模型中采用粒子滤波理论。本课题的研究内容包括：1）合理的模型群设计可以减少跟踪误差，研究变结构和模糊推理多模型的实现方法；2）建立机载平台跟踪的动态模型和观测模型， 研究坐标系的降维方法，可在距离信息缺失的情况下，实现角度与距离信息的解耦；3）突破现有FPGA硬件资源的限制，解决粒子滤波退化、计算量大和实时性难以保证的问题；4）从运动学关系、动力学特性和机电特性三个层面逐次深入，建立视轴稳定跟踪与控制的数学模型，并进行仿真和分析；5）研制开发了基于粒子滤波跟踪算法的硬件研究平台，构建机载平台跟踪的模拟实验系统。. 本课题得到了以下结果: 1)提出了一种基于有向图切换的变结构方法，建立有向图切换规则和较完备的模型集合；2）通过模糊逻辑推理得到模型集中各模型的匹配度，代替了传统多模型算法中的模式概率计算,降低了计算的复杂度，计算量减少约45%; 3）提出一种简化的粒子滤波算法，实现粒子滤波并行性计算策略，根据采样粒子数自适应划分粒子滤波器的数量，若忽略粒子滤波器之间通信代价，加速比基本呈线性增长。4）将捷联稳定方案引入机载平台之间的跟踪，通过信息的融合，有效提高了跟踪的精度。5）在室内环境模拟中，当使用相同的模型数时，相对于固定模型算法时，变结构多模型时间开销减少约40%,　在相对角速度大于50/s情况下，粒子滤波与EKF相比，其跟踪精度提高了约50%以下。. 本项目研针对机载通信平台的高速、高机动（加速、转向）性特点，对高速、高机动通信平台的运行轨迹进行跟踪，并同时进行轨迹预测，将机载通信终端的跟踪稳定在精跟踪视场范围，其本质是保持激光通信视轴之间的稳定指向，空间机载通信平台运动参数的跟踪预测对于提高快速捕获和精密跟踪精度具有十分重要的意义。