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2024年  第46卷  第1期      刊出日期 2024-02-28   目次   上一期   下一期  
     
封面和目次
航天工程·计算机科学与技术
  • 含新型间断探测器的混合WCNS格式在间断无粘可压流的应用
  • 张昊,邓小刚
  • 2024, 46 (1):1-11[摘要](1946)  [PDF  3454KB](864) [HTML](303)
    为了让高精度数值格式在含间断和小尺度涡等复杂结构的超声速无粘可压缩流动情况下,仍能鲁棒地捕捉激波并快速得到流场高保真的模拟结果,研究了以子模板导数组合为基础的光滑度量算法,构造了精度与鲁棒性兼顾的新型间断探测器,使间断识别对小尺度涡也具有高分辨率;研究了混合加权紧致非线性格式(weighted compact nonlinear scheme, WCNS)方法,对流场中的光滑与间断区域分别使用线性与非线性加权格式求解,从而克服单一非线性格式在光滑区分辨率难以达到设计精度的问题。数值实验表明,使用新型间断探测器的混合WCNS格式对一维、二维Euler方程模拟结果良好,并且相比于在全流场使用局部特征分解的原始WCNS方法有计算效率的提高。
  • 多模态交叉解耦的少样本学习方法
  • 冀中,王思迪,于云龙
  • 2024, 46 (1):12-21[摘要](1677)  [PDF  1855KB](795) [HTML](346)
    当前的多模态少样本学习方法忽视了属性间差异对正确识别样本类别的影响。针对这一问题,提出一种利用多模态交叉解耦的方法,通过解耦不同属性语义特征,并经过特征重建学习样本的本质类别特征,缓解类别属性差异对类别判别的影响。在两个属性差异较大的基准少样本数据集MIT-States和C-GQA上进行的大量实验表明,所提方法较现有方法有较大的性能提升,充分验证了方法的有效性,表明多模态交叉解耦的少样本学习方法能够提升识别少量测试样本的分类性能。
  • 返回器飞行管道的快速预测算法
  • 邹文,张国斌,丰志伟,涂国勇,禄晓飞,张青斌,杨涛
  • 2024, 46 (1):22-31[摘要](1691)  [PDF  3295KB](732) [HTML](321)
    针对返回器回收任务中对安全空域和期望落点的计算需求,提出了基于Koopman算子的飞行管道快速预测算法,给出了搜救直升机安全飞行空域的判定流程。建立了物伞动力学模型,利用Halton采样方法从随机空间中均匀采点,计算得到多条可能弹道;采用Koopman算子的后拉机制,将初始概率密度值与当前状态关联,得到不确定条件下返回器及其分离部件的飞行管道和期望弹道。仿真结果表明,基于Koopman算子的飞行管道快速预测算法在收敛速度和精度上都要显著优于Monte Carlo方法;利用飞行管道计算结果对搜救直升机飞行路线进行规划后,碰撞风险最大降低54%且搜索时间减少70%。飞行管道预测算法已成功应用到嫦娥五号的回收任务中。
  • SEAD场景异构无人机配置与任务规划联合优化方法
  • 王建峰,贾高伟,辛宏博,郭正,侯中喜
  • 2024, 46 (1):32-41[摘要](1809)  [PDF  1797KB](680) [HTML](272)
    对敌防空压制(suppression of enemy air defenses, SEAD)场景是多无人机协同的典型应用,针对该场景特点,在任务规划问题基础上将各类型无人机数量也作为决策变量,充分表征目标、任务和无人机的多种约束,建立异构无人机编队路径问题模型。设计了双层联合优化方法求解该模型:上层设计了任务衔接参数指标,精确评估各类型无人机需求,指导无人机配置调整;下层设计了改进遗传算法,高效处理多类型约束并能结合无人机数量变化对任务方案进行精细调整;双层相互协调获得满足需求的无人机配置和执行方案。仿真结果表明,该方法可以在避免遍历无人机配置组合的前提下获得合理的无人机配置方案和高效可行的执行方案。
  • 卫星差分码偏差对北斗三号双频精密单点定位的影响
  • 杜彦君,贾小林,姚顽强,许瑾
  • 2024, 46 (1):42-50[摘要](1446)  [PDF  2069KB](673) [HTML](258)
    为探讨北斗三号系统不同频点组合卫星差分码偏差(differential code bias,DCB)对精密单点定位(precise point positioning,PPP)的影响,推导北斗三号系统不同频点无电离层组合卫星端DCB改正模型,并基于MGEX跟踪站连续7天4站的观测数据按7种不同双频组合进行DCB改正实验。结果表明,DCB改正对PPP精度在最初的历元有明显提升,有助于滤波的收敛及提高单天解的均方根,但对于最终定位精度无明显提升。B2a/B3I及B2b/B3I组合定位精度及收敛速度明显低于其他组合,DCB改正后有所提升。其他5种组合改正后定位精度及收敛时间相当:静态PPP单天解均方根在E、N和U方向约为5.50 cm、2.50 cm和6.25 cm,较未改正前提升20%~65%;平均收敛时间为38 min,提升约6%;动态PPP平均收敛时间为59 min,提升约20%;最终定位精度水平方向优于5 cm,高程方向优于7 cm。
  • 迎风格式在接触间断的数值耗散及其诱导误差
  • 韩芳,魏雁昕,刘君
  • 2024, 46 (1):51-62[摘要](1603)  [PDF  3670KB](656) [HTML](348)
    在不同流场参数条件下对三种迎风格式在接触间断中的数值耗散问题进行了数值实验,并对数值耗散产生的机理进行了分析。数值计算结果和理论分析表明,矢通量分裂格式计算接触间断问题时,若流场静止或流场内存在亚声速区域,密度耗散的产生会诱导出以特征速度运动的数值扰动误差,该误差对数值耗散的大小无影响,但会影响流场的速度及压力参数分布,从而改变流场的结构。在二维问题中,诱导误差相互干扰会产生大量的复杂小尺度结构,给流场结构分析带来困难。同时,在密度参数线性分布的流场中,若空间离散格式重构的对象为对流通量,使用矢通量分裂格式计算流场会产生数值误差,使计算精度难以到达二阶。
  • 预报风强度对火箭最大气动载荷精度影响及建模分析
  • 程胡华,武帅,张入财,肖云清,赵亮
  • 2024, 46 (1):63-73[摘要](1627)  [PDF  1897KB](751) [HTML](269)
    针对不同预报风强度的精度以及其对应的最大气动载荷预报值精度的研究文献极少。以某地区实况风为基准,分别对不同预报风强度的精度以及其对应的最大气动载荷预报值精度特征进行了分析,并利用多元线性回归方法建立了订正模型,结果表明在预报日数第1~11天,预报风强度越大,预报风精度及其对应的最大气动载荷预报值精度越高;利用多元线性回归方法可提高最大气动载荷预报值精度,且预报风强度越小,最大气动载荷预报精度提高越明显。这些发现在火箭发射前的飞行保障及安全决策方面具有参考价值。
  • 地球静止轨道航天器绕飞持续观测任务轨迹规划与控制
  • 张海涛,王伟林,张雅声,王浩,李智
  • 2024, 46 (1):74-86[摘要](1562)  [PDF  5529KB](744) [HTML](329)
    针对地球静止轨道(geosynchronous orbit, GEO)航天器的高清观测任务,成像卫星在连续小推力作用下接近GEO航天器,对GEO航天器自然绕飞并以有利的光照条件对其持续观测。针对Clohessy-Wiltshire (CW)方程的偏差问题,通过修正非球形摄动和重力加速度二次长期项偏差对CW方程进行改进,补偿非线性偏差的长期项和主要的摄动项。在轨迹规划问题上,计算绕飞轨迹的初始相位角区间,以保证成像卫星在整个绕飞任务中都能够以良好的观测角观测GEO航天器。基于CW方程和改进的CW方程对成像卫星接近和绕飞GEO航天器全过程进行仿真,基于CW方程的仿真没有达到预期目标;基于改进的CW方程的仿真达到预期目标,全过程所需施加的总速度增量仅为4.67 m/s,工程上具有很强的可行性。
  • 卫星柔性热控薄膜材料充放电效应试验
  • 陈益峰,王金晓,冯娜,秦晓刚,杨生胜,季启政,韩炎晖,柳青
  • 2024, 46 (1):87-92[摘要](1499)  [PDF  1439KB](732) [HTML](335)
    针对柔性热控薄膜材料导电/绝缘多层复合、微纳尺寸厚度的结构特点,采用10~70 KeV电子辐照的方法开展了kapton基二次表面镜薄膜材料充放电特性的测试试验,获得了表面充电电位、静电放电频次等关键参数,并采用蒙特卡罗方法研究了辐照电子在多层薄膜材料内的输运规律。研究结果表明由于kapton基二次表面镜薄膜结构的特殊性,当辐照电子能量为10 KeV时未发生静电放电现象,随着电子能量不断增加,薄膜材料的表面充电电位幅值与静电放电频次呈先上升后下降的变化规律,且在电子能量为25 KeV时空间充放电效应最为显著。
高性能计算与人工智能
  • 面向众核处理器的阴阳K-means算法优化
  • 周天阳,王庆林,李荣春,梅松竹,尹尚飞,郝若晨,刘杰
  • 2024, 46 (1):93-102[摘要](1667)  [PDF  1117KB](743) [HTML](270)
    传统阴阳K-means算法处理大规模聚类问题时计算开销十分昂贵。针对典型众核处理器的体系结构特征,提出了一种阴阳K-means算法高效并行加速实现。该实现基于一种新内存数据布局,采用众核处理器中的向量单元来加速阴阳K-means中的距离计算,并面向非一致内存访问(non-unified memory access, NUMA)特性进行了针对性的访存优化。与阴阳K-means算法的开源多线程实现相比,该实现在ARMv8和x86众核平台上分别获得了最高约5.6与8.7的加速比。因此上述优化方法在众核处理器上成功实现了对阴阳K-means算法的加速。
  • 多核数字信号处理卷积算法并行优化
  • 许金伟,王庆林,李娅琳,姜晶菲,高蕾,李荣春,李东升
  • 2024, 46 (1):103-112[摘要](1622)  [PDF  1780KB](760) [HTML](267)
    针对国防科技大学自主研发的异构多核数字信号处理(digital signal processing, DSP)芯片的特征以及卷积算法自身特点,提出了一种面向多核DSP架构的高性能多核并行卷积实现方案。针对1×1卷积提出了特征图级多核并行方案;针对卷积核大于1的卷积提出了窗口级多核并行优化设计,同时提出了逐元素向量化计算的核内并行优化实现。实验结果表明,所提并行优化方法实现单核计算效率最高能达到64.95%,在带宽受限情况下,多核并行扩展效率可达到48.36%~88.52%,在典型网络ResNet50上的执行性能与E5-2640 CPU相比,获得了5.39倍性能加速。
  • 注意力机制量化剪枝优化方法
  • 何源宏,姜晶菲,许金伟
  • 2024, 46 (1):113-120[摘要](1963)  [PDF  4606KB](775) [HTML](345)
    面向基于注意力机制模型的巨大计算和访存开销问题,研究量化和剪枝协同优化的模型压缩技术,提出针对注意力机制中查询、键、值、概率共四个激活值矩阵的对称线性定点量化方法。同时,提出概率矩阵剪枝方法和渐进式剪枝策略,有效降低剪枝精度损失。在不同数据集上的实验结果表明,针对典型基于注意力机制模型BERT,在较低或者没有精度损失的情况下该优化方法可达到4位或8位定点量化、0.93~0.98的稀疏度,大幅度降低模型计算量,为加速量化稀疏模型的推理奠定良好的基础。
  • 长向量处理器高效RNN推理方法
  • 苏华友,陈抗抗,杨乾明
  • 2024, 46 (1):121-130[摘要](1711)  [PDF  3212KB](733) [HTML](353)
    模型深度的不断增加和处理序列长度的不一致对循环神经网络在不同处理器上的性能优化提出巨大挑战。针对自主研制的长向量处理器FT-M7032,实现了一个高效的循环神经网络加速引擎。该引擎采用行优先矩阵向量乘算法和数据感知的多核并行方式,提高矩阵向量乘的计算效率;采用两级内核融合优化方法降低临时数据传输的开销;采用手写汇编优化多种算子,进一步挖掘长向量处理器的性能潜力。实验表明,长向量处理器循环神经网络推理引擎可获得较高性能,相较于多核ARM CPU以及Intel Golden CPU,类循环神经网络模型长短记忆网络可获得最高62.68倍和3.12倍的性能加速。
  • 高性能异构加速器MiniGo算子优化方法
  • 乔鹏,贺周雨,李荣春,姜晶菲
  • 2024, 46 (1):131-140[摘要](3564)  [PDF  4902KB](762) [HTML](346)
    根据高性能异构加速器的特性和MiniGo的训练模式提出了一种高效的并行计算方法。对片上计算资源进行合理规划,实现异构设备之间的流水并行优化;根据异构设备间存在共享存储段设计了共享内存编码模式,减少数据传输开销;根据数字信号处理簇内具有多计算资源的特点结合算子计算-访存特性设计了不同的算子并行计算优化策略。同时,面向TensorFlow实现了一个易于使用的高性能计算库。实验结果显示,该方法实现了典型算子的多核并行计算。相对于单核,卷积算子加速比为24.69。相较于裁剪版8核FT2000+CPU,该方法训练和自博弈执行速度加速比分别为3.83和1.5。
  • 面向GPU的5G新型无线电的高吞吐率LDPC译码器
  • 李荣春,周鑫,乔鹏,王庆林
  • 2024, 46 (1):141-148[摘要](2674)  [PDF  1095KB](647) [HTML](367)
    提出了一种基于图形处理单元(graphic processing unit,GPU)的5G软件无线电准循环低密度奇偶校验(low density parity check, LDPC)码译码器,为了节省片上和片下带宽,采用码字缩短和打孔技术、两级量化和数据打包方案,以提升数据带宽的利用率。实验基于Nvidia RTX 2080Ti GPU平台实现了高码率情况下的最小和近似译码算法的并行译码,通过分析GPU上的最优线程设置,将码率为5/6的(2 080,1 760) LDPC算法的译码吞吐率提升至1.38 Gbit/s,译码吞吐率性能优于现有其他基于GPU的LDPC译码器。
机械工程·物理学·电子科学与技术
  • 面向空间应用的GaN功率器件及其辐射效应
  • 毕津顺,沈立志,梅博,曹爽,孙毅,于庆奎
  • 2024, 46 (1):149-159[摘要](1684)  [PDF  5755KB](717) [HTML](304)
    研究氮化镓(GaN)功率器件及其辐射效应对于解决空间应用需求、促进新一代航天器建设具有重大意义。介绍了GaN功率器件的主要结构及工作原理,综述了近年来国内外在GaN功率器件的总剂量效应和单粒子效应两方面的研究进展,并对辐射效应在GaN功率器件中造成的退化和损伤机制进行分析与讨论。研究结果显示:GaN功率器件具有较强的抗总剂量能力,但是抗单粒子能力较弱,易发生漏电和单粒子烧毁,且烧毁点多发生在栅极边缘的漏侧。对GaN功率器件辐照损伤机理的研究缺乏权威理论,有待进一步探索,为其空间应用提供理论支撑。目前,平面结构的GaN功率器件是主流的技术方案,单片集成及高频小型化是GaN功率器件未来发展的方向。
  • 定向毫米波网络邻居发现协议
  • 梁仕杰,赵海涛,张姣,陈海涛,魏急波,王俊芳
  • 2024, 46 (1):160-169[摘要](1509)  [PDF  2277KB](633) [HTML](275)
    针对定向毫米波网络各节点间无波束方向先验信息导致邻居发现困难的问题,提出了一种基于盲交汇算法的邻居发现协议,推导了邻居发现过程中时隙长度、波束个数与邻居发现时间之间的理论关系。进一步,为了缩短邻居发现的时间,在盲交汇算法的邻居发现协议的基础上,提出了基于位置预测的邻居发现协议。仿真结果表明,基于盲交汇算法的邻居发现协议的最长邻居发现时间小于无协调的定向邻居发现协议,波束个数N接近2n(2n-1n,n>1,n∈Z)时,平均邻居发现时间低于无协调的定向邻居发现算法。此外,基于位置预测的邻居发现协议可以有效缩短邻居发现时间。
  • 球形破片侵彻明胶运动模型及破片参数敏感性分析
  • 蒋明飞,陈莉,刘坤,赵磊,吴志林
  • 2024, 46 (1):170-178[摘要](1708)  [PDF  4677KB](688) [HTML](357)
    为揭示球形破片对人体组织致伤机理,以明胶作为人体组织的替代物,基于动态空腔膨胀理论,考虑球形破片未完全侵入阶段的速度衰减,建立了球形破片侵彻明胶的分段运动理论模型,研究了球形破片侵彻明胶的运动规律。通过钢球和钨球侵彻明胶的实验验证了模型的正确性,求解了模型中的最优阻力系数。分析了理论计算过程中的误差来源,并推导得到了无量纲侵彻深度的表达式。利用Sobol′法进行了球形破片参数(直径、密度和速度)对侵彻深度影响的敏感性分析。结果表明:运动模型能够较好地模拟球形破片的运动规律;低密度的球形破片在未完全侵入阶段的速度衰减不能忽略;球形破片参数对侵彻深度影响的敏感性由高到低依次是速度、密度和直径。
  • 基于权重的AHP判断矩阵一致性调整方法
  • 耿正霖,吴佳妮,程兴华,包长春
  • 2024, 46 (1):179-186[摘要](1560)  [PDF  702KB](705) [HTML](272)
    传统的判断矩阵调整方法计算得到的权重不能最大限度地保留原始判断矩阵的信息。为此,提出一种基于权重的判断矩阵调整方法。该方法根据权重的性质,构造完全一致矩阵,利用AdaGrad最速下降法对矩阵进行拟合,使该矩阵相对于原始判断矩阵的总改变量最小,以其对应的权重作为矩阵的计算结果。数值计算结果表明,该方法相比于其他方法,权重对原始判断信息的保留度更高,且不需要反复进行矩阵一致性检验。
  • 采用重组模板的权重优化WENO-Z格式
  • 柴得林,王强,易贤,刘宇
  • 2024, 46 (1):187-197[摘要](2239)  [PDF  3579KB](657) [HTML](359)
    针对精确模拟含激波等复杂流动结构的流场对高精度格式的低耗散低色散要求,基于5阶有限差分WENO-Z格式,提出一种模板重组技术。在计算WENO非线性权时,引入一个由3点模板重新组合的4点模板,优化原格式中各模板的权重分配,进而提出了两种改进WENO-Z格式。采用近似色散关系分析方法对改进前后格式色散与耗散特性进行了对比与分析。分析表明:两种改进格式耗散有不同程度的降低。数值实验表明:改进格式具有更优越的激波捕捉性能,对小尺度流场结构具有更高的分辨率。
  • 存储体编译和布局协同的片上缓存设计方法
  • 刘必慰,熊琪,杨茗,宋雨露
  • 2024, 46 (1):198-203[摘要](1804)  [PDF  4265KB](647) [HTML](284)
    为了提高片上缓存的速度、降低面积和功耗,提出了一种存储体编译和布局协同的片上缓存设计方法。该方法基于存储体在芯片上的不同空间位置预估该存储体的时序余量,分别采用拆分/合并、尺寸调整、阈值替换和长宽比变形等多种配置参数穷举组合进行存储体编译,根据时序余量选择最优的静态随机存取存储器存储体编译配置。将该方法与现有的物理设计步骤集成为一个完整的设计流程。实验结果表明,该方法能够降低约9.9%的功耗,同时缩短7.5%的关键路径延时。
  • 弹药贮存微环境温度智能化预测
  • 张云,杜琴,王竟成,张志明,谢兰川,陈阳
  • 2024, 46 (1):204-211[摘要](2061)  [PDF  2401KB](731) [HTML](338)
    高效、准确获取弹药贮存微环境温度变化规律是开展弹药寿命评估与延寿的关键。结合神经网络算法以及传热学原理,研究了弹药贮存微环境温度预测模型,并基于此模型开发了一套弹药包装箱微环境预测软件,用以预测不同气候环境下包装箱内部的温度变化。在敦煌、漠河进行了相关试验,用以验证软件预测正确性以及参数优化。结果表明:应用基于神经网络算法开发的包装箱微环境预测软件,根据不同包装箱材料,调控贮存地点以及控制贮存起始温度,可以实现对箱内温度的控制。
  • 叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响
  • 谈明高,胡胜,刘厚林,马皓晨,朱智朋
  • 2024, 46 (1):212-221[摘要](1682)  [PDF  7128KB](725) [HTML](352)
    为丰富无轴泵喷推进器噪声性能优化理论,研究了叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响,重点探究了不同叶片数下无轴泵喷推进器内的压力脉动变化规律。基于计算流体力学中的有限体积法离散RANS方程,应用RNG k-ε湍流模型封闭计算模型,采用SIMPLEC进行压力-速度耦合,对不同叶片数下的无轴泵喷推进器内部流场进行了非定常数值模拟计算,并对计算结果进行了详细的对比分析。研究结果表明:随叶片数的增加,无轴泵喷推进器模型的扬程、效率和推力均逐渐增大,叶片表面压力分布更加均匀,叶轮轮缘和中部的压力脉动均明显降低,叶轮进出口主频处的压力脉动幅值从轮缘向中心逐渐减小。
  • 典型作战流程和分级环境下发射车生存能力改进ADC评估模型
  • 王冬,高钦和,黄通,刘志浩
  • 2024, 46 (1):222-230[摘要](1665)  [PDF  2173KB](695) [HTML](330)
    为了综合评估发射车在作战中的生存能力,区分参数-性能-能力-效能四个层次建立武器装备评估空间,构建对象、内容和层次三个维度的评估框架,划分五类自然环境、三级威胁环境和三种作战状态,将外界环境引入评估过程,用被发现概率和损毁概率表征发射车隐蔽伪装能力和抗毁防护能力,建立发射车作战状态转移概率矩阵,提出典型作战流程和分级环境下的发射车生存能力改进可靠性、可信性、可用性综合评估模型。通过仿真分析,在不同环境和作战状态下各型发射车生存能力差异明显,模型能在性能空间、环境空间、作战流程空间多个维度动态评估发射车的生存能力,为发射车性能设计、战场运用提出量化和优化建议。
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