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2024年  第46卷  第3期      刊出日期 2024-06-28   目次   上一期   下一期  
     
封面和目次
轨道追逃制导与控制
  • 航天器轨道追逃动力学与控制问题研究综述
  • 朱彦伟,张乘铭,杨傅云翔,杨乐平
  • 2024, 46 (3):1-11[摘要](834)  [PDF  8132KB](522) [HTML](103)
    随着航天器交会与接近操作技术的快速发展,轨道追逃问题逐渐成为航天领域的研究热点。从动力学与控制视角,对航天器轨道追逃问题的研究现状进行综述。给出了基于定量微分对策的轨道追逃问题模型的一般形式,系统梳理了各种类型的轨道追逃问题;对于追逃策略求解,分别针对闭环策略和开环策略,分析了各种方法的优缺点;围绕人工智能算法与轨道追逃问题的结合,阐述了基于深度神经网络和强化学习的轨道追逃策略的研究现状。关于未来展望,提出了追逃博弈态势分析、多航天器博弈控制、三体条件下博弈动力学与控制等发展方向。
  • 采用可达域覆盖的多航天器协同护卫策略
  • 张润德,蔡伟伟,杨乐平,朱彦伟
  • 2024, 46 (3):12-20[摘要](781)  [PDF  10481KB](344) [HTML](98)
    针对高轨高价值目标护卫问题,提出了一种基于可达域覆盖的多航天器协同护卫策略。从相对运动视角对协同护卫任务进行了描述,并将威胁源多脉冲机动可达域问题建模为凸优化问题求解。在滚动优化框架下,根据动态更新的威胁源终端可达域,设计协同护卫平面及护卫点,以此为终端位置约束构建多航天器协同轨迹规划模型,生成相应护卫轨迹。仿真结果表明,所提出的可达域分析方法能够快速计算威胁源终端可达域,协同护卫策略在多个场景下均能有效阻止威胁源,且护卫成功率随护卫航天器机动能力增强而增大。
  • 航天器交会型轨道追逃策略的滚动时域优化
  • 张乘铭,朱彦伟,杨乐平,杨傅云翔
  • 2024, 46 (3):21-29[摘要](676)  [PDF  7855KB](296) [HTML](98)
    针对航天器自由时域交会型轨道追逃过程中的测量误差等不确定性对交会的影响,提出了一种基于滚动时域优化的高时效策略求解方法。根据微分对策理论推导得到博弈鞍点控制策略,并对问题进行等价转换;通过预先离线求解开环鞍点策略,将问题初始状态和相应的解作为样本以进行神经网络训练,训练后的网络结构可以快速得到相应问题的近似解。为了更好地应对博弈环境中的测量噪声,基于神经网络结构设计了滚动时域求解框架,并通过周期性的滚动求解最终实现对逃逸航天器的交会。数值仿真表明,所提出的策略可以有效应对测量噪声不确定性,且相比于文献中已有的策略,计算耗时可从分钟级降至秒级。
  • 航天器轨道追逃态势分析的水平集方法
  • 杨傅云翔,杨乐平,朱彦伟,张乘铭
  • 2024, 46 (3):30-38[摘要](700)  [PDF  10879KB](293) [HTML](88)
    航天器轨道追逃是当前航天动力学与控制领域的研究热点。针对轨道追逃定性问题开展研究,提出了一种综合运用降维动力学模型和后向可达集的航天器近距离轨道追逃态势分析方法,以支撑任务可行性分析;通过在视线旋转坐标系下推导博弈系统降维动力学模型,建立近距离追逃定性问题模型,减少了状态空间维度;使用目标集的后向可达集描述捕获区并划分追逃状态空间,基于水平集方法建立可达集在降维动力学模型中演化的动态HJI(Hamilton-Jacobi-Isaacs)偏微分方程,并设计WENO-TVD求解器数值计算HJI方程终值问题粘性解,完成了追逃目标集的准确描述并避免了可能出现的终端奇异现象。通过不同推力构型的追逃场景数值仿真验证了方法的有效性,展现了一次计算批量化处理初始态势的功能。
航天工程
  • 飞翼布局飞行器研究现状分析
  • 陈清阳,辛宏博,王鹏,朱炳杰,王玉杰,鲁亚飞
  • 2024, 46 (3):39-58[摘要](638)  [PDF  14856KB](360) [HTML](119)
    对飞翼布局飞行器的发展脉络进行了梳理,涵盖了从其早期的进化史到现阶段的研究进展,并对未来的发展方向进行了思考和展望。同时,论述了飞翼布局飞行器的几个主要控制难点,具体包括:宽速域非线性状态下的姿态控制问题、多效应耦合下的高精度自主起降控制问题、气动模型近似及强扰动状态下的鲁棒控制难题,以及因多舵面冗余而引起的控制分配问题。此外,还深入讨论了当前重点研究的飞翼布局飞行器的流动控制问题,并对接下来主动流动控制技术的研究动向进行了阐述。
  • 考虑螺栓预紧力差异的箭体连接结构动力学响应分析
  • 孙伟程,关振群,潘嘉诚,曾岩
  • 2024, 46 (3):59-69[摘要](659)  [PDF  13973KB](295) [HTML](97)
    针对广泛地应用在航空航天箭体结构中的螺栓法兰连接结构的动力学响应特征会显著受到螺栓预紧力大小影响的问题,在螺栓法兰连接结构不同工况下螺栓预紧力出现差异时,研究箭体连接结构的静动力学响应特征。通过对特定的筒壳螺栓法兰连接结构,基于有限元分析和敲击试验来提出一套考虑螺栓预紧力差异的箭体连接结构动力学响应分析方法。并由此研究螺栓松动时的响应特征,基于互补集合经验模态分解算法设计一种新的螺栓松动探测流程,可以量化螺栓发生松动时连接结构的中高频段频响幅值升高的特征,能无损快速地识别松动工况的发生。
  • 碳纳米管增强复合材料Timoshenko梁弯曲和屈曲行为分析
  • 吴栋,张大鹏,于宝石,雷勇军
  • 2024, 46 (3):70-78[摘要](614)  [PDF  6421KB](288) [HTML](92)
    考虑碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)的尺度效应,研究宏观尺度下碳纳米管增强复合材料(carbon nanotubes reinforced composites,CNTRCs)梁的弯曲和屈曲行为。在EMT(Eshelby-Mori-Tanaka)方法的基础上,利用非局部理论提出了可表征CNTs尺度效应的非局部EMT本构模型。根据Timoshenko梁理论,采用哈密顿原理得到CNTRCs梁的静力学微分方程和边界条件。求解简支边界条件下CNTRCs梁的弯曲响应和极限屈曲载荷,并与文献进行对比验证所建模型和求解方法的正确性。分析了CNTs的尺度效应参数和体积分数以及复合材料梁的长细比等因素对简支CNTRCs梁弯曲响应和极限屈曲载荷的影响规律。结果表明,考虑CNTs的尺度效应会削弱结构等效刚度,且CNTs体积分数和尺度效应参数对大长细比CNTRCs梁的弯曲响应和极限屈曲载荷的影响幅度较大。
  • 充气式返回舱化学非平衡仿真分析
  • 何青松,王广兴,冯瑞,董海波,黄明星,贾贺
  • 2024, 46 (3):79-87[摘要](629)  [PDF  8406KB](260) [HTML](92)
    采用空气五组分模型对充气式返回舱的气动特性进行了化学非平衡数值模拟研究,考察了返回舱外形变化对流场温度和压力的分布以及壁面热流密度和压强的影响,分析了流场中组分分布情况。研究结果表明,外形变化在总体上对返回舱流场特性影响较小,会使舱体壁面处的热流密度有所增加;对流场组分分布的研究发现,由于N2比O2更难解离,在整个流场中N的摩尔分数远低于O的摩尔分数;在目前的计算条件下,沿轴线和壁面的氮氧比与来流基本保持一致。仿真结果在总体上与实验结果符合较好,验证了仿真模型的可靠性。
  • 面对称运载火箭优势面滚转迎风技术
  • 赵永志,张普卓,杜昊昱,唐攀,王紫扬
  • 2024, 46 (3):88-97[摘要](601)  [PDF  9464KB](270) [HTML](94)
    针对面对称运载火箭飞行中俯仰、偏航通道控制力不匹配问题,提出通过姿态滚转控制调整迎风面以减小最大飞行摆角的控制技术,称为滚转迎风(bank-to-wind, BTW)技术。重点研究了BTW控制的离线法,推导了BTW控制滚动程序角理论值的解析解,证明了该理论值的偏差与飞行姿态偏差是同阶小量。提出带权重的傅里叶级数拟合算法,对滚动程序角进行修正,以符合工程应用的可行性。开展六自由度飞行动力学仿真,分析BTW控制对控制力、飞行气动载荷和滚动程序角跟踪品质的影响,验证BTW控制的有效性。比对不同拟合基频的仿真结果得出结论:拟合频率过高将影响控制品质,从工程应用角度看滚动程序角的“光滑性”比“拟合性”更重要。
  • R13/R26矩方法的介观尺度壁面边界条件
  • 杨伟奇,杨惠
  • 2024, 46 (3):98-104[摘要](545)  [PDF  6187KB](258) [HTML](85)
    宏观尺度NSF(Navier-Stokes-Fourier)、R13/R26矩方程边界条件在中、大克努森数Kn来流条件下计算精度大幅度降低,也极易发散。针对这一难题,提出R13/R26矩方程的介观尺度边界条件,在靠近壁面处重构速度分布函数,并输入介观尺度Boltzmann模型方程;基于离散速度法求解宏观参数,所得到的宏观参数作为R13/R26矩方程的壁面边界条件。仿真结果表明:基于介观尺度边界条件的R13/R26矩方法相较原边界条件计算精度最大提高59.84%,同时,所提出的边界条件将矩方法对Kn的适用范围拓展到1.0。
  • 形状记忆合金自复位减振装置研制与验证
  • 麻越垠,李道奎,聂旭涛,张伟,高鑫宇,陈万华,陈振华
  • 2024, 46 (3):105-115[摘要](598)  [PDF  9504KB](283) [HTML](97)
    为改善第二喉道中的可调中心体机构(简称中心体)在工作状态下的流致振动,根据形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)偏置双程驱动原理,设计制作一种能够满足中心体有限安装空间要求的SMA自复位减振装置;采用UMAT接口编制的SMA本构关系子程序实现减振装置最大压紧力的数值分析,数值分析与静态调试试验结果误差约为2.58%;搭建地面减振试验平台,测试SMA自复位减振装置分离和闭合状态下的中心体零部件振动响应。减振试验结果显示:SMA自复位减振装置闭合后,中心体振动响应明显降低,在0~100 Hz频带内,均有明显的减振效果,低频至55 Hz范围内,减振率均大于50%。
控制科学与工程.数学与系统科学
  • 动力翼伞风扰补偿高度控制方法
  • 孙昊,孙青林,卢伟涛
  • 2024, 46 (3):116-125[摘要](580)  [PDF  9679KB](293) [HTML](93)
    外界风场是影响翼伞高度跟踪精度的最主要扰动因素。针对该问题,建立了动力翼伞的八自由度模型,并在传统自抗扰控制的基础上,设计一种基于风场前馈补偿的改进抗扰控制器,对外界的风场干扰进行针对性补偿,实现翼伞系统的高度跟踪控制。在通过仿真实验对控制器进行初步验证的基础上,进行了翼伞系统的实际飞行实验。在实际飞行环境下,仿真中所调节的控制器参数可直接应用于实际飞行实验,翼伞系统的平均高度跟踪误差在2.5 m以内,证明所设计的控制器存在一定的实际应用价值。
  • 无人集群体系设计与仿真评估方法
  • 杨松,王维平,李小波,周鑫,井田
  • 2024, 46 (3):126-136[摘要](738)  [PDF  11783KB](525) [HTML](125)
    无人集群作战正在成为一种改变战争形态的新型作战样式。针对当前无人装备试验相对独立、缺乏一体化闭环设计与集成验证手段的问题,提出了一种体系设计与仿真评估方法。该方法包含了作战概念建模与需求分析、体系设计理念与体系设计、内场仿真实验与方案探索、体系原型研发与评估优化、外场集成试验与综合决策五个阶段,创新发展了体系设计、仿真试验、评估优化的理论方法、工具链路、集成环境,为无人集群的体系化、智能化、实战化提供了一定的理论与技术支撑。
  • 水下航行器管路气容消声特性试验
  • 张祖提,秦子明,暴春航,侯凌风,孙坤杰,龙新平
  • 2024, 46 (3):137-149[摘要](596)  [PDF  13866KB](289) [HTML](102)
    结合水消声器的工作原理和水下航行器管路系统及水舱特性,提出了气容水舱消声方法,通过向水舱中充入一定压力和容量的空气,形成蓄能式弹性可压缩扩张室消声容腔,充分利用水下航行器的水舱对通海管路进行消声。对气容水舱消声原理和消声性能进行试验研究,结果表明气容水舱可以有效降低管路出口处的流量和压力脉动,阻断噪声传播通道,降低管路系统水下辐射噪声,为水下航行器水下辐射噪声控制提供了有效方法。
  • 演化排列优化拉丁超立方设计方法
  • 李国盛,张锡,文谦,杨家伟,张为华,武泽平
  • 2024, 46 (3):150-157[摘要](622)  [PDF  6459KB](315) [HTML](84)
    拉丁超立方设计是最常用的计算机试验设计方法之一,针对现有拉丁超立方设计方法采样一次性且难以兼顾设计的空间均匀性和计算效率的问题,提出了一种演化排列拉丁超立方试验设计方法。通过对小样本设计的演化、排列信息继承和扩充等操作,以较小的计算量实现了样本的扩充与优化。此外,所提方法可以兼顾现有样本和新增采样点之间的关系,实现样本的序列扩充,这在实际近似建模过程中十分方便。通过多组数值试验,验证了本文方法在空间均匀性和计算效率等方面的优越性。
  • 抗通信时延的分布式固定时间收敛协同制导律
  • 商玮宸,马翔,郑技平,于航,戴可人,张合
  • 2024, 46 (3):158-166[摘要](623)  [PDF  7163KB](277) [HTML](90)
    为使得多枚导弹在存在通信时延的情况下有效完成对机动目标的同时攻击,提出了一种抗通信时延的固定时间收敛分布式协同制导律。该制导律基于固定时间控制技术框架,实现了稳定时间边界不依赖于多导弹系统初始状态,提升了多导弹系统控制效率;采用一种快速非奇异终端滑模和虚拟领弹共同主导的方法,可实现制导律具有对抗通信时延的鲁棒性;利用了李雅普诺夫稳定性理论证明了固定时间内的一致性。仿真结果表明,存在通信时延的情况下,基于所设计的分布式协同制导律,多枚导弹能够有效地完成对目标的同时攻击。
  • 滚动球变换支持下的TIN-DDM地形特征线自动提取方法
  • 董箭,张志强,彭认灿,周唯,季宏超
  • 2024, 46 (3):167-179[摘要](611)  [PDF  25663KB](271) [HTML](108)
    针对传统规则格网数字高程模型地形特征线提取方法中存在阈值难以定量调控、连接方式无法自适应调整以及地形特征线类型不完整的问题,将滚动球变换模型应用于不规则三角网数字水深模型(triangulated irregular network digital depth model,TIN-DDM)地形特征线的自动提取,在构建临界滚动球半径关联的地形特征点定量识别判定准则基础上,引入地形形态边界点概念,采用逆向工程的建模思路,建立了以剖分单元为基础的地形特征线自动提取模型,结合地形类型判定准则的多尺度表达特性及顾及水深数值的地形特征优化模型,提出了可多尺度表达且类型完整的地形特征线自动提取方法。试验结果表明:相比于经典地表流水模拟方法,该方法可实现完整、连续且细分的TIN-DDM地形特征线自动提取及多尺度表达,且提取的地形特征线具有更高的地形重构精度。
信息与通信工程.电子科学与技术
  • 改进非凸估计与非对称时空正则化的红外小目标检测方法
  • 胡亮,杨德贵,赵党军,张俊超
  • 2024, 46 (3):180-194[摘要](571)  [PDF  18868KB](286) [HTML](91)
    针对复杂背景下的红外小目标检测,在非对称时空正则化约束的非凸张量低秩估计算法基础上,提出了一种新的核范数估计方法代替原算法中的估计方法。提出基于结构张量与多结构元顶帽(Top-Hat)滤波的自适应权重张量对目标张量进行约束,增强目标张量稀疏性的同时抑制其中残存的强边缘结构。实验结果表明,所提改进算法能够更好地消除图像中强边缘结构对检测结果的影响,在保证检测率的情况下,较原算法具有更低的虚警率。
  • DS/FH信号跟踪的频率相位修正技术
  • 王屹伟,张波,黄智刚
  • 2024, 46 (3):195-204[摘要](596)  [PDF  10360KB](264) [HTML](93)
    直序/跳频(direct sequence/frequency hopping, DS/FH)扩频信号的跟踪受到多普勒效应和电离层效应的严重影响,使其难以应用于卫星导航的抗干扰领域。为了解决该问题,提出将递归最小二乘滤波修正的方法应用在DS/FH信号跟踪上。将处于不同通道中心频率的多普勒频率估计转化到DS/FH信号的整体中心频率进行并滤波,在频率捷变时对载波数控振荡器进行修正。根据对频率跳变前后载波相位和码相位突变的观察,实时估计电离层的电子密度,在频率捷变时修正载波相位和码相位。仿真实验证明,所提方法能够有效地消除DS/FH信号跟踪中的频率相位不连续问题,其跟踪精度与直序扩频信号度基本是相同量级。
  • 基于双光频梳及受激布里渊散射的微波频率测量
  • 张先玉,梁涛,安康,乔晓强
  • 2024, 46 (3):205-212[摘要](555)  [PDF  6468KB](247) [HTML](86)
    提出了一种基于双光频梳和受激布里渊散射的高精度微波频率测量方法,利用两个双平行马赫-曾德尔调制器将待测微波信号和扫描信号调制在两路光频梳上,并分别作为信号光和泵浦光输入色散位移光纤中。利用双光频梳和不断频移的扫描信号,系统可同时实现波分复用和时分复用。同时,在双光频梳和受激布里渊散射的作用下,系统可发生一系列的受激布里渊散射,通过测量各信道输出的光功率实现待测微波频率的测量。为进一步提升测量精度,利用测量得到的光功率值构建幅度比较函数,从而实现频率测量误差修正。通过实验仿真验证了所提方法的有效性,测量误差为±2.5 MHz。
  • 未确知条件下多枚导弹打击不规则面目标的毁伤效果评估
  • 王志辉,胡剑文,朱晓敏,张亚军
  • 2024, 46 (3):213-221[摘要](616)  [PDF  8144KB](342) [HTML](103)
    在信息缺乏的情况下,如何提高对多枚导弹打击不规则面目标毁伤效果评估的可信度是导弹作战运用研究的重难点。通过蒙特卡罗方法建立给定参数下的面目标毁伤效果评估模型;采用信度分布函数对该问题的未确知性进行评估,评估结果显示毁伤效果未确知性较高;基于信度熵,分析导弹各个属性的未确知性对毁伤效果未确知性的影响;通过针对性减小影响大的属性的未确知性,迭代减小毁伤效果的未确知性。仿真实验结果表明面目标有效毁伤率的未确知范围得到显著减小。该研究能够有效指导毁伤效果评估工作,减小其中的不确定性。
  • 旋磁非线性传输线原理分析和初步实验
  • 崔言程,孟进,袁玉章,黄立洋,朱丹妮
  • 2024, 46 (3):222-228[摘要](560)  [PDF  6742KB](250) [HTML](86)
    作为一种特殊的宽带高功率微波源,旋磁非线性传输线(gyromagnetic nonlinear transmission lines, GNLTL)由于中心频率高、易于调频以及可以高重频运行等特点,得到了广泛的关注。为明确GNLTL的特殊工作机理,对比分析GNLTL与传统旋磁应用场景的不同之处。从微观磁化动力学入手,针对GNLTL产生微波的原因进行定性解释。搭建一套低功率的验证实验装置,重点针对实验场景构建、GNLTL设计进行介绍。实验得到微波信号的中心频率为750 MHz,3 dB波束带宽达12%,峰值功率为245 kW,初步验证了GNLTL的微波产生效果。
  • 相干累加与AR滤波相结合的舰船轴频电场信号处理方法
  • 程锦房,谢昌奇,张伽伟,喻鹏
  • 2024, 46 (3):229-236[摘要](569)  [PDF  6941KB](251) [HTML](96)
    针对采用电场传感器阵列测量舰船电场的应用场景,为提升目标轴频电场的信噪比,提出一种相干累加结合自回归(autoregressive, AR)模型滤波的方法对阵列电场信号进行处理。对测量得到的阵列电场信号进行时延补偿后累加,同时对环境电场信号进行AR建模,并利用AR模型参数构造滤波器,以对累加后的信号实施滤波处理。为验证所提方法在低信噪比条件下的有效性,对实测阵列式电场信号进行处理,结果表明,所提方法能够在信噪比为-25.39 dB的条件下有效压制噪声频谱,保留轴频线谱,处理后信噪比提高约21.92 dB。
  • 区块链技术下的智能安全可靠支付系统设计
  • 张艳硕,刘宁,刘天野,陈颖,张黎仙
  • 2024, 46 (3):237-246[摘要](570)  [PDF  6909KB](288) [HTML](101)
    为了增强支付系统的安全性和可靠性,设计了一种区块链技术下的智能支付系统。这个系统利用区块链的去中心化和分布式账本特性,提供了一种更加安全和透明的支付解决方案。系统将区块链技术、国密算法与支付系统相结合,给传统互联网支付系统提供一个更安全的保障。利用区块链技术的点对点特点,解决支付效率和数据安全等方面的问题。借助互联网大数据技术,对用户进行信用评级,提供信贷服务。结合跨链技术可以对不同区块链的数据进行共享,更好地解决资金流动性。相比比特币和以太坊等电子货币系统,该系统在安全性、交易吞吐率和交易时延等方面做到了权衡发展,使得各方面的性能有了一定程度的均衡提升,更能满足当前环境下的应用需要。
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