【技术实现步骤摘要】
一种基于混合准则的机载分布式POS布局优化方法
本公开涉及航空航天
,具体而言,涉及机载分布式位置姿态系统(POS)布局优化方法。可用于确定机载分布式POS中多个子系统的最优安装数量和位置,特别适合于机载阵列天线合成孔径雷达等多载荷同时对地观测需要确定位置姿态测量系统最优布局方式的情况。
技术介绍
集成多个或多种遥感载荷的机载分布式对地观测系统已经成为目前对地观测系统的主要发展趋势之一。这些多任务遥感载荷实现高精度成像的前提是获取各遥感载荷安置点的高精度运动参数。机载分布式位置姿态系统(PositionandOrientationSystem,POS)是多任务遥感载荷机载对地观测系统获取各遥感载荷安置点的位置、速度、姿态等运动参数的主要手段。机载分布式POS通常由一个或少量高精度主POS(也称为主系统)、多个中/低精度子惯性测量单元(InertialMeasurementUnit,IMU)(也称为子系统)、导航计算机系统(POSComputerSystem,PCS)和后处理软件四部分组成。高精度主POS通过传递对准将高精度的位置、速度、姿态等运动信息传递给各子IMU,从而实现各子IMU处运动信息的精确测量。其中,高精度主POS一般位于机舱内,提供时空基准信号,各子IMU安装在各遥感载荷安置点附近,为各遥感载荷提供精确的运动参数信息。对于机载多任务遥感载荷对地观测系统,分布式POS需要获取所有载荷安置点的高精度运动参数。由于载机对机载分布式POS的体积、重量均有严格的限制,特别是观测载荷分布在机翼 ...
【技术保护点】
1.一种基于混合准则的机载分布式POS布局优化方法,具体步骤为:/n1.1以Fisher信息矩阵迹的变化率为准则确定机翼结构待监控振型阶数的范围;/n1.2使用模态应变能准则,确定机翼结构的监控振型;/n1.3使用监控振型可观准则确定子IMU安装数量的下限,并使用MAC确定子IMU安装数量上限;/n1.4确定布局方案的编码并生成初始种群;/n1.5改进模态应变能准则,并将其与模态置信度准则和熵值法联合起来建立多目标函数模型;/n1.6运行遗传算法,求解多目标函数,将适应度值最大个体对应的布局方案作为机载分布式POS的最优布局方案。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于混合准则的机载分布式POS布局优化方法,具体步骤为:
1.1以Fisher信息矩阵迹的变化率为准则确定机翼结构待监控振型阶数的范围;
1.2使用模态应变能准则,确定机翼结构的监控振型;
1.3使用监控振型可观准则确定子IMU安装数量的下限,并使用MAC确定子IMU安装数量上限;
1.4确定布局方案的编码并生成初始种群;
1.5改进模态应变能准则,并将其与模态置信度准则和熵值法联合起来建立多目标函数模型;
1.6运行遗传算法,求解多目标函数,将适应度值最大个体对应的布局方案作为机载分布式POS的最优布局方案。
2.根据权利要求1所述的基于混合准则的机载分布式POS布局优化方法,其特征在于:所述的步骤1.1中针对以Fisher信息矩阵迹的变化率为准则确定机翼结构待监控振型阶数的范围,具体步骤为:
2.1获取机翼前n阶模态振型矩阵Φn
从有限元模型提取m个载荷安置点对应位置的前n阶模态数据,得到的模态振型矩阵Φn的表达式为:
其中n为模态振型的阶数;m为载荷安置点的个数;φj为第j阶模态振型向量j=1,2,…,n;φij为第i个载荷安置点的第j阶模态振型向量的模态位移,i=1,2,…,m,j=1,2,…,n;
2.2计算Fisher信息矩阵的迹
Fisher信息矩阵Q(n)可以表示为:
由于模态振型具有正交性,则上式可以写成:
于是Fisher信息矩阵Q(n)的迹tr(Q(n))可以表示为:
2.3计算Fisher信息矩阵迹的变化率ROC,确定待监控振型阶数的范围1~nc
Fisher信息矩阵Q(n)的迹在前n阶次和前n+1阶次上的变化率的表达式为:
ROC随着振型阶数n的增加而变化;当n达到某一数值nc,ROC值趋于0。可以确定待监控振型阶数的范围为1~nc。
3.根据权利要求2所述的基于混合准则的机载分布式POS布局优化方法,其特征在于:所述的步骤1.2中针对使用模态应变能准则确定机翼结构的监控振型,具体步骤为:
3.1获取机翼结构整体刚度矩阵K
提取m个载荷安置点的结构整体刚度矩阵K,其表达式为:
其中,矩阵中的元素kab为刚度系数,a=1,2,…,m,b=1,2,…,m,m为载荷安置点的个数;
3.2使用模态应变能准则选出监控振型
在划定了待监控振型阶数范围1~nc的基础上,根据模态应变能大小,选取应变能贡献较大的模态作为监控振型;模态应变能MSE是机翼结构整体刚度矩阵和模态振型共同作用的结果,机翼结构第j阶模态应变能的表达式为:
根据上式计算各阶模态的模态应变能,将最大模态应变能对应阶次的模态振型作为监控振型,监控振型的阶数为nd。
4.根据权利要求2所述的基于混合准则的机载分布式POS布局优化方法,其特征在于:所述的步骤1.3中针对使用监控振型可观准则确定子IMU安装数量的下限N1,并使用MAC确定子IMU安装数量上限N2,具体步骤为:
4.1确定子IMU安装数量的下限N1
子IMU安装数量的下限由监控振型阶次的数量nd决定;监控振型的可观性决定布置子IMU数量至少为监控振型阶次的数量,如果子IMU数量少于监控振型阶次的数量,系统不可观测到所有监控振型,从而导致丢失重要模态;因此子IMU安装数量的下限N1等于监控振型的阶数nd。
4.2使用MAC确定子IMU安装数量的上限N2
MAC矩阵的表达式为:
其中MACef为MAC矩阵的第e行、第f列元素,e=1,2,…,nd,f=1,2,…,nd,nd为监控振型阶数;
MAC矩阵的元素MACef的表达式为:
其中e=1,2,…,nd,f=1,2,…,nd,nd为监控振型阶数;
确定子IMU安装数量上限N2步骤为:
a)利用列主元QR分解法对模态振型矩阵Φn进行列主元QR分解,得到子IMU的N个初始安置点,其余m-N个安置点称为候选安置点,令P=m-N;
b)求初始安置点的模态置信度矩阵MACN,并求MACN的最大非对角元素maxN,其中MACN表示安置点个数为N的MAC矩阵,maxN是MACN的最大非对角元素;
c)从P个候选安置点选择一个安置点添加到初始安置点集合中,得到包含N+1个初始安置点的集合,求其模态置信度矩阵MACN+1,并求其最大非对角元素maxN+1;
d)计算MACN+1和MACN的最大非对角元素之差F=maxN+1-maxN;
e)从N+1个初始安置点中移除第c)步添加的候选安置点,从P个候选安置点重新选择一个添加到初始安置点集合中,并计算其最大非对角元素之差F;重复移除、添加候选安置点和计算F的步骤,得到F(l),l=1,2,…,P,并将|F(l)|中的最小值|F(l)|min对应的安置点加入到初始安置点中,初始安置点扩充到N+1个,候选安置点缩减到P-1个;...
【专利技术属性】
技术研发人员:宫晓琳,符倚伦,
申请(专利权)人:北京航空航天大学,
类型:发明
国别省市:北京;11
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