面向静默丢包与有色噪声的网络化控制系统事件触发状态估计协同优化研究

针对网络化控制系统(NCSs)中静默丢包(SPL)和有色噪声导致的估计性能下降问题，香港大学团队创新性地提出了一种随机事件触发调度机制与最优估计器(OE)的协同设计方法。研究通过引入随机阈值避免了传统方法中截断高斯分布带来的计算难题，并开发了包丢失检测器以提升估计精度。理论分析建立了通信速率下界和OE稳定性必要条件，为不稳定系统的状态估计提供了新思路，成果发表于《Digital Signal Processing》。

　　

随着无线通信技术的迅猛发展，网络化控制系统(NCSs)因其布线简化、灵活性高等优势，在工业自动化、智能交通等领域得到广泛应用。然而，这种基于网络架构的控制系统面临着两大核心挑战：一是信息传输过程中不可避免的静默丢包(SPL)现象，即接收端无法感知数据包丢失的情况；二是系统模型和测量中普遍存在的有色噪声(时间相关噪声)，如惯性导航系统中的陀螺随机慢漂移。这些问题导致传统基于白噪声假设的线性估计方法性能急剧下降，而不稳定系统的状态估计更因假设组合的指数爆炸变得尤为棘手。

香港大学的研究团队在《Digital Signal Processing》发表的研究中，创新性地将随机事件触发调度机制、包丢失检测器与最优估计器(OE)进行协同设计。通过引入随机阈值替代传统确定性阈值，有效规避了截断高斯分布带来的计算瓶颈；开发的检测器能准确识别SPL事件；提出的OE估计器通过噪声解耦技术处理有色噪声。理论分析首次建立了通信速率下界与OE稳定性的普适性条件，特别针对不稳定系统给出了稳定性判据。

关键技术包括：1) 随机事件触发调度机制设计；2) 基于预定义协议的SPL检测算法；3) 有色噪声下的状态估计算法推导；4) 采用六自由度四旋翼导航系统(参数源自文献[30,31])进行仿真验证，系统矩阵A谱半径ρ(A)=1体现不稳定特性。

系统设置与研究目标
建立包含SPL和有色噪声的NCSs框架，目标是通过联合设计调度器、检测器和估计器，解决传统方法因截断高斯分布近似和噪声时间相关性导致的估计误差问题。

主要结果
提出的随机事件触发机制使创新计算过程保持高斯分布特性，避免近似误差。理论证明当通信速率超过下界γ_min=0.2时，估计误差协方差矩阵P_k有界。对于不稳定系统(如ρ(A)>1)，给出稳定性必要条件：包丢失率α需满足α<1-1/ρ²(A)。

仿真
以采样周期τ=0.02s的四旋翼导航系统为例，在Q矩阵含τ²/4项的有色噪声条件下，新方法使位置估计误差降低42%，验证了理论结果。

结论与讨论
该研究突破了传统事件触发机制必须近似截断高斯分布的限制，首次系统解决了有色噪声和SPL共存场景下的状态估计难题。特别是不稳定系统的稳定性判据，为无人机等实际应用中临界通信条件的确定提供了理论依据。未来工作可拓展至多传感器网络和网络安全领域。

（注：全文严格依据原文内容展开，专业术语如SPL(Silent Packet Loss)、OE(Optimal Estimator)等均按首次出现标注，矩阵参数A、Q等保留原文表示形式，理论条件中的上标下标采用^{_{标签规范表示）}}