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2023年  第49卷  第7期

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2023年, 第49卷, 第7期
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软件定义卫星技术概念及发展
徐帆江, 周鑫, 赵军锁, 吴凤鸽, 林翊钧, 夏玉立
2023, 49(7): 1543-1552. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0562
摘要:

针对在轨卫星呈现海量化、网络化、智能化发展的趋势,重点探讨了软件定义卫星技术的产生背景、概念、内容与挑战。通过历史回顾,归纳卫星系统研制的3个阶段,指出目前卫星系统正在从平台、载荷优先向算法优先演进,这一趋势推动了软件定义卫星技术的产生与发展;阐述软件定义卫星技术的概念与边界,指出研究软件定义卫星技术的目的不是研制一类新型卫星,而是利用软件定义技术实现硬件资源虚拟化、系统软件平台化、应用软件多样化,提升卫星系统的网络化与智能化;分析软件定义卫星技术的主要内容与挑战,并对未来的发展进行展望。

民用飞机迫降后不利姿态应急撤离实验研究
封文春, 张桐, 李伟
2023, 49(7): 1553-1562. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0483
摘要:

为研究飞机迫降后不利姿态对应急撤离的影响,基于动态客舱应急撤离实验环境,开展了200多人次的个体及群体应急撤离实验,按照自由撤离模式和快速撤离模式,分析了不利姿态下座椅段、过道区域个体撤离速度的变化规律,建立了个体平均速度衰减比模型。实验表明:迫降后的不利姿态对群体撤离时间、人员密度和前向距离均有一定影响。横滚姿态下,群体撤离速度衰减比在5°时为0.948,10°时为0.859,随横滚角增大而减小;俯仰姿态下,在−5°俯角下群体中个体撤离速度均呈现出加速的效果,末位速度达到1.35 m/s,次序越靠后撤离速度衰减比越大,−10°时,群体中个体运动呈现两面性,撤离速度与次序呈反比。通过实验揭示了迫降后不利姿态应急撤离客舱内个体运动及群体撤离的变化规律,为民用飞机应急撤离仿真提供了重要参考数据。

四旋翼的改进PSO-RBF神经网络自适应滑模控制
唐志勇, 马福源, 裴忠才
2023, 49(7): 1563-1572. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0477
摘要:

针对非线性、强耦合并带有不确定性干扰的四旋翼无人机模型,提出了一种改进粒子群算法-径向基(PSO-RBF)神经网络自适应滑模控制器。在对RBF神经网络自适应滑模控制器进行控制量平滑改进的基础上,利用改进的具有全局寻优能力的PSO算法来调整RBF神经网络的拟合参数,从而进一步提升网络的拟合能力。根据实际四旋翼的模型参数,搭建四旋翼的动力学模型,通过Lyapunov理论验证了系统的稳定性。仿真结果表明:与RBF神经网络自适应滑模控制器和双闭环PID控制器相比,改进PSO-RBF神经网络自适应滑模控制器可以在一个控制周期内寻找到合适的控制量,其调节时间分别提升约50%和75%;改进PSO-RBF神经网络自适应滑模控制器具有轨迹跟踪速度快且准、抗干扰能力强和鲁棒性好的特点。

液氮温区二维指向深冷环路热管设计与实验研究
李楠, 郭元东, 许程, 张红星, 林贵平
2023, 49(7): 1573-1582. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0500
摘要:

空间二维指向机构与红外探测器配合,有利于实现对空间目标大范围的动态追踪、指向、快速定位等功能。将深冷环路热管(CLHP)与二维指向机构耦合,可以大大降低系统机构的复杂程度,实现远距离热传输,提高探测精度和转向灵活性。为此,设计研制了液氮温区二维指向CLHP。对设计流程和部件参数进行了介绍,通过伺服电机驱动实现了俯仰、偏航±90°以上的转动。通过开展热真空实验,研究了不同工作参数对超临界启动和传热极限的影响。结果表明:所设计的系统具有最大13 W的传热能力,适当提高充装压力有利于提高系统的稳定性和传热能力,增大次蒸发器辅助载荷有助于提高最大传热能力。

电源车传感器故障检测和数据重构方法
蒋栋年, 把余江, 李炜
2023, 49(7): 1583-1592. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0501
摘要:

针对电源车由于运行环境复杂而容易发生传感器故障的问题,提出了一种基于时空相关性的传感器故障检测和数据重构方法。针对单个传感器运行数据的时序关系特征,借助具有选择与遗忘机制的极限学习机(SF-ELM)建立了电源车传感器时间序列预测子模型,并据此实现对电源车传感器的故障检测;针对已检测的故障传感器,利用不同传感器之间的空间相关性,通过冗余度分析,使用改进后的互信息熵筛选出与故障传感器数据相关性较高的辅助传感器数据,实现对故障传感器失效数据的在线重构;通过仿真验证了所提方法在电源车传感器故障检测和数据重构中的可行性与有效性。

特征点分段提取的时间序列模式匹配方法
李正欣, 刘畅, 吴诗辉, 郭建胜
2023, 49(7): 1593-1599. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0546
摘要:

常用的时间序列模式匹配方法难以平衡计算复杂度与匹配精度,针对该问题,提出了一种特征点分段提取的时间序列模式匹配方法。提取时间序列每个变量维度上的特征点,降低序列长度;将特征点序列转化为分位点矩阵,利用欧氏距离对分位点矩阵进行相似性度量;在几组时间序列数据集上对所提方法进行分类实验。结果表明:所提方法在降低计算复杂度的同时,获得了较高的匹配精度。

基于角度转化的空间碎片测角数据精密定轨方法
张耀, 刘静
2023, 49(7): 1600-1605. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0507
摘要:

空间碎片对在轨卫星的影响日益增大,持续确定和更新空间碎片轨道日益受到重视。基于角度转化思想,提出了一种空间碎片测角数据精密定轨方法。基于常用的两行根数(TLE)数据应用需求,根据差分思想建立基于SGP4/SDP4预报模型的TLE精密定轨方法;以赤经-赤纬数据为典型场景,分析原始定义法、赤经投影法的优缺点;提出将常规双元素角度资料转化为三元素角度资料的角度转化法。仿真结果表明:当观测数据较多集中于测站天顶方向时,角度转化法能够将精密定轨收敛速度提高25%,轨道精度提高2~10倍。

真空强电磁场环境下铝的二次电子倍增规律
商圣飞, 杨晓宁, 杨勇, 毕研强, 武南开, 于澜涛
2023, 49(7): 1606-1613. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0514
摘要:

针对卫星表面受强电磁环境的影响导致的充放电问题,采用1D3V的粒子网格(PIC)方法对卫星表面铝材料在空间强电磁环境作用下的二次电子倍增作用规律进行研究。结果表明:星表铝材料在不同微波幅值、不同频率下的二次电子倍增效应存在“最易”倍增区间;二次电子倍增规律表现为在特定频率下,铝的二次电子倍增随着微波电场幅值的增大先增强后降低,表现出最佳倍增区间的效应;在特定幅值下,铝的二次电子倍增效应也会先增强后降低,但是整体表现出低频时倍增强,高频时抑制倍增的效应。

湿热环境下碳纤维层合板拉伸疲劳性能
许名瑞, 曾本银, 熊欣, 孟庆春, 程小全
2023, 49(7): 1614-1622. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0565
摘要:

湿热环境是影响复合材料层合板力学性能的主要因素之一,研究湿热环境对复合材料结构的影响对于保证飞行结构安全具有非常重要的工程应用意义。研究碳纤维复合材料层合板在室温干态(RTD)、低温干态(CTD)和高温湿态(ETW)3种环境条件下的拉伸疲劳性能,获得3种环境下的S-N曲线与层合板疲劳破坏模式。在此基础上,建立层合板有限元分析模型,对其疲劳性能进行研究,分析讨论温度及湿度对层合板疲劳性能的影响,建立层合板疲劳寿命环境影响因子的确定方法。结果表明:湿热环境对正交层合板的拉伸疲劳性能影响很大,疲劳寿命为106次时,与RTD环境相比,CTD环境下层合板的疲劳强度下降了2.76%,而ETW环境下下降达到23.77%;ETW和RTD环境下破坏模式以纤维断裂和分层为主,而CTD环境下却几乎全为纤维断裂破坏;S-N曲线包括疲劳强度快速下降和缓慢下降2个阶段;温度对疲劳性能的影响要明显强于湿度,温度超过45 ℃时湿度对疲劳性能的影响进入强影响区。

一种主瓣干扰下基于滑窗子阵的稀疏测角方法
周必雷, 李荣锋, 曾丽, 陈辉, 刘维建, 李槟槟
2023, 49(7): 1623-1629. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0552
摘要:

雷达抗主瓣干扰(MLJ)一直是雷达领域的难点问题,针对主瓣干扰环境下的雷达目标角度测量问题,提出一种主瓣干扰下基于滑窗子阵的稀疏测角方法,对各子阵进行自适应主瓣干扰抑制处理,并利用自适应后的子阵间相位关系构建角度原子库,采用正交匹配追踪(OMP)算法估计目标角度。当目标与干扰夹角为1/2个3 dB波束宽度时(目标输入信噪比为20 dB),目标角度估计误差小于1/10倍3 dB波束宽度,所提方法无需先验信息,可同时抑制主、副瓣干扰或多个主瓣干扰,并保证较高的目标测角精度。

高致密弹携式蜂群布局与多体分离方案
富佳伟, 王辰
2023, 49(7): 1630-1638. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0508
摘要:

为解决蜂群突防能力弱、作战半径小的弱点,加快形成分布式协同作战的平台级能力,提出一种弹携式蜂群无人机作战系统,利用导弹载体内埋搭载多架小型低成本无人机,通过导弹-蜂群多级运载的战术制定,实现蜂群的快速有利部署。采用兼顾总体相容性的气动布局优化设计技术,综合运用布局选型、数值仿真分析及风洞试验验证,完成一种高致密嵌入式的蜂群布局方案设计,依靠对翼面折叠的小型无人机沿集束柱周向布置的内埋措施,可实现单枚导弹搭载80架小型蜂群无人机的运载能力。针对导弹-蜂群高速多体分离的设计难点,采用优化的分离策略设计,基于改进延迟分离涡模拟方法及重叠网格技术进行蜂群多体分离仿真,结果能够满足蜂群无人机的安全分离。最终的设计方案既保证了蜂群多体量饱和式攻击的作战效能,又实现了系统突防能力和续航能力的显著提升,可满足未来强对抗战场的多种作战使用需求。

高超声速再入飞行器气动布局多目标优化
樊博璇, 陈桂明, 曹逸群
2023, 49(7): 1639-1650. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0566
摘要:

气动布局的多目标优化是飞行器设计中的关键技术。提出一种新的高超声速再入飞行器气动外形参数的多目标优化方法,证明外形优化对高超声速流下飞行器性能的影响。通过实例仿真对飞行器所受阻力和升力对制导性能影响进行详细验证分析,将飞行器落点圆概率偏差、末速大于500 m/s的占比、最大飞行过载小于60g的占比这3个性能指标作为优化目标,将升力特性作为中间参数,将气动布局优化问题分解为2个子问题,通过基于搜索算法的升力特性优化和基于改进的模拟退火算法的外形参数优化,减少优化计算时间、提升计算效率、实现对飞行器主体和襟翼的气动布局优化、获得高超声速流下的最佳飞行器外形。仿真结果表明:在确定的约束条件下,优化算法增加了飞行器在超音速流下的气动升力,有效提高了升阻比。在不影响最大飞行过载的前提下,优化后的飞行器表现出更高的气动性能,显著提升了命中精度,同时末速也满足指标要求,制导系统性能得到有效改善。

基于特征运动观测的蝴蝶前飞规律及样机验证
张益鑫, 王兴坚, 王少萍, 池小楷, 杜韶阳
2023, 49(7): 1651-1660. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0497
摘要:

为了研究蝴蝶扑翼飞行的原理,研制低频扑翼的仿生器,通过蝴蝶飞行运动的生物学观测,提出蝴蝶的3种特征运动状态,分析扑翼运动、胸部俯仰运动及腹部摆动运动之间的相位关系,构建蝴蝶前飞运动学模型。基于“杆-膜”仿生翼的新工艺和定制的机载飞控系统,研制轻量化的仿生蝴蝶扑翼飞行器样机,研究蝴蝶样机的飞行控制策略。通过六维力传感器对样机做地面动力学测试,利用高速摄像机对样机飞行进行运动学跟踪,证明了基于特征运动状态的蝴蝶前飞规律和原理样机研制的有效性。

利用北斗GEO卫星干涉信号功率反演土壤湿度
汉牟田, 许志超, 常青, 张波, 王峰, 洪学宝
2023, 49(7): 1661-1670. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0478
摘要:

对利用北斗导航系统地球静止轨道(GEO)卫星干涉信号功率反演土壤湿度的方法进行研究。针对现有研究主要建立纯经验模型反演土壤湿度、反演方法单一的问题,提出一种半经验的反演方法。所提方法针对北斗GEO卫星星地之间几何构型较为稳定的特点,利用相邻两天的干涉幅度信息抵消发射信号功率的影响,实现了土壤反射系数的反演。基于交叉极化影响下的反射系数理论模型构建了一种半经验的土壤湿度反演模型,通过仿真与实验对所提方法和模型进行验证。仿真结果表明:所提方法和模型能更好地适应反演过程中出现的非线性情况。实验结果表明:土壤湿度反演的均方根误差小于0.02 cm3/cm3,相关系数超过0.8。

下表面射流的超临界翼型气动性能分析
王若尘, 张国鑫, 王翔宇, 马晓平
2023, 49(7): 1671-1679. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0489
摘要:

为探究下表面射流关键参数对超临界翼型气动性能的影响,采用雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方程与Spalart-Allmaras (S-A)湍流模型进行数值模拟。通过比较基准RAE2822翼型与下表面射流翼型的流场,验证下表面射流能够在翼型后缘诱导产生逆时针分离涡,带动流线向下偏折,增加了翼型的等效弯度,同时加大前缘的吸力峰,从而提高翼型的气动性能。进一步探究射流位置、射流动量系数、射流角度、马赫数等关键参数对RAE2822翼型气动性能的影响规律。结果表明:给定状态下,下表面射流的位置越靠后,动量系数越大,翼型的气动性能越优。下表面射流在α=0°和2°时的最优射流角度为110°,在α=4°时的最优射流角度为160°,且在最优射流角度下能有效提高翼型马赫数在0.3~0.6范围内的气动性能。

撤机对离心血泵血液相容性影响的数值研究
谢楠, 唐雨萌, 张岩, 柳阳威
2023, 49(7): 1680-1688. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0494
摘要:

采用非定常数值模拟方法系统评估某离心血泵原型与改型在4个撤机阶段的血流动力学特性和血液相容性。对速度、湍动能、叶表压力的分布规律及不同撤机阶段的血液损伤进行研究,并对各监测点的压力脉动进行分析。研究结果表明:在降低心脏泵流量和供压的第1阶段(撤机阶段Ⅰ),原型和改型均有较好的血液相容性,满足抗溶血和抗血栓的性能要求,间隙泄漏涡是造成溶血主要的流动特征;随着撤机的进行,间隙泄漏涡强度明显减弱,溶血值呈显著的下降趋势,其脉动幅度也大大降低,改型的溶血值比原型减少30%以上;各监测点压力频谱呈现典型的离散特征,相较于原型,改型的转静干涉作用更加强烈,对血泵的电磁控制技术提出更高的要求。

适用于弹性飞机飞行动力学仿真的气动力降阶方法
师妍, 万志强, 吴志刚, 巩轶男
2023, 49(7): 1689-1706. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0510
摘要:

针对低速太阳能无人机在由阵风引起的大迎角非线性气动力情况下的高精度、高效率气动弹性及飞行动力学工程仿真问题,对气动力降阶方法及其在飞行动力学仿真中的应用进行深入探索。以二维翼型为例,分别基于自回归外部输入模型(ARX)方法、多小波Volterra级数方法、反向传播(BP)、径向基函数(RBF)神经网络方法和支持向量回归(SVR)方法建立了非定常气动力降阶模型,并比较了5种方法的收敛性及泛化能力。在此基础之上综合ARX和神经网络方法的优点提出一种计算精度高,收敛性、泛化能力较强的ARX-BP/RBF组合建模方法。将基于ARX-RBF的组合气动力降阶方法和弹性飞机刚弹耦合动力学方程相结合建立基于气动力降阶的弹性飞机飞行动力学仿真模型。以一架太阳能无人机模型为例,开展数值验证,对算例对象在阵风及舵面激励下的响应进行仿真研究,并和计算流体力学(CFD)-计算结构动力学(CSD)结果及基于线性气动力的仿真结果进行对比。结果表明:所建立的弹性飞机仿真模型能有效反映气动力非线性特性,且仿真效率高于CFD-CSD分析方法,适用于工程实践。

高速超声振动铣削钛合金实验研究
韩雄, 孙哲飞, 耿大喜, 张德远
2023, 49(7): 1707-1714. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0519
摘要:

针对钛合金在普通铣削(CM)时因切削速度低而面临的切削力大、薄壁工件变形大、加工效率低、刀具磨损严重等问题,采用高速超声振动铣削(HUVM)方法加工钛合金,实验研究其加工表面质量和切削力。从运动学角度出发对HUVM方法进行运动学分析。搭建包括超声振动系统、加工系统及测量系统在内的高速超声振动铣削实验平台。采用单因素实验对比CM和HUVM这2种方法对钛合金加工切削力和表面质量的影响规律。研究结果表明:与CM加工相比,HUVM加工可以使切削力降低32.6%~35.3%。并且HUVM加工表面粗糙度虽略有增加,但是表面结构可以更加均匀;此外,HUVM加工表面残余应力均为压应力,其绝对值随着每齿进给量和切削速度的增大而降低,而CM加工表面残余应力为拉应力。

光纤环多极对称绕法对Shupe误差抑制效果仿真分析
张东波, 汪立新, 李灿
2023, 49(7): 1715-1721. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0530
摘要:

Shupe误差是高精度光纤陀螺(IFOG)工程化过程中的最大瓶颈问题之一。建立一个精确到匝的光纤环有限元模型,基于此模型,并在不同温度激励下分析八极、十六极和三十二极对称绕法的温度性能。仿真结果表明:相对于八极对称绕法,采用十六极对称绕法和三十二极对称绕法的光纤陀螺能够有效抑制热致陀螺漂移,且十六极对称绕法的抑制效果最好。这对高精度IFOG的光纤环绕制方法的选择提供了指导。

空间大伸展并联机构的设计与性能分析
赫利涛, 房海蓉, 陈宇飞, 李寅
2023, 49(7): 1722-1734. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0548
摘要:

大型工件加工时执行机构伸展空间不足是目前航天制造业一个亟待解决的问题。为增大执行机构末端的工作空间,并为其提供稳定可靠的伸展基础,提出一类具备高刚度、大伸展特性的并联可伸展机构。重点针对并联可伸展机构展开设计与分析,基于图论进行可伸展机构构型综合,利用构型演化得到PRRR、PRRR-3R和PRRR-6R(P表示移动副,R表示转动副)这3种可伸展支链单元构型,在此基础上,对3种可伸展机构支链单元的伸展性能、刚度进行对比分析,最终优选出满足要求的PRRR支链单元配置成并联可伸展机构。该并联可伸展机构可应用于需要提供大伸展及大刚度的场合,实现对其他执行机构运动空间的拓展。

超声波钻探器结构参数对输出特性的影响分析
张兴旺, 张明, 于登云, 曾婷, 殷参, 杨帅, 庞勇
2023, 49(7): 1735-1742. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0554
摘要:

超声波钻探器因具有质量轻、低功耗、所需轴向力小、便于实时检测和原位分析及对象适应性强等特点,在地外天体科学钻探的新技术和新方法探索过程中备受瞩目。为进一步提高钻探器对不同钻进对象的适应性及其设计效率,通过研究超声波钻探器结构参数可知,其输出频率主要受碰撞冲击次数、弹簧钻杆的振动及钻杆本身的动力学特性等因素耦合影响。在此基础上,建立钻探器影响因素的物理模型,并结合实验研究了恢复弹簧刚度及初始预紧力和质量块质量对输出频率、位移和速度等参数的影响,得到弹簧初始预紧力对频率影响较为显著,弹簧刚度及质量块质量次之,为适应不同硬度对象高效钻进的变频超声波钻探器的优化设计提供技术参考。

基于行人姿态的轨迹预测方法
王瑞平, 宋晓, 陈凯, 龚开奇, 张峻凡
2023, 49(7): 1743-1754. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0557
摘要:

在自动驾驶领域,行人轨迹预测一直是研究热点之一,行人行为的不确定性给轨迹预测带来很大的挑战。目前大部分轨迹预测方法只专注于行人之间的信息交互,忽略了行人意图和场景中其他语义信息对行人轨迹的影响。为此,提出一种基于行人姿态的卷积编码器-解码器网络(PKCEDN)来预测目标行人轨迹的方法,所提方法包含基于卷积、长短时记忆(LSTM)网络的编码器-解码器模型和能够学习当前时刻与过去时刻轨迹相关性的注意力机制。所提方法在MOT16、MOT17和MOT20公开数据集上进行了相关测试,与Linear、LSTM、Social-LSTM、Social-生成对抗网络(GAN)、SR-LSTM和Msgtv等主流方法相比,在保证预测速度不降低的前提下,平均误差降低约36%。

兔激素性股骨头坏死的造模改进及结果评价
杨丰合, 冯桂宇, 李晋玉, 牛旭锋
2023, 49(7): 1755-1760. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0558
摘要:

股骨头坏死动物模型的建立对临床上股骨头坏死的治疗具有重要意义。对目前最常见的兔激素性股骨头坏死的造模方法进行改进,并对改进后的造模结果进行评估,希望能够在降低造模动物死亡率的同时成功诱导股骨头坏死。选择周龄介于16~20周,体重介于2.8~3.2 kg的雄性新西兰大白兔90只,随机分为空白对照组、常规造模组和造模改进组3组。其中,空白对照组仅注射生理盐水;常规造模组在特定时间点注射脂多糖和甲基泼尼松龙;造模改进组在常规造模组的基础上辅以青霉素、雷尼替丁、地克珠利、肠道润滑剂和乳酶生干预。结果表明:造模改进组动物的死亡率(13.3%)远低于常规造模组(70%)。造模完成后的微型计算机断层扫描技术(Micro-CT)分析和组织学染色结果显示:造模改进组股骨头区域出现了早期股骨头坏死的特征,其骨体积、骨体积与组织体积比、骨密度、骨小梁厚度均显著低于空白对照组,而空骨陷窝个数相较于空白对照组则出现了显著提升,证明改进后的造模方法在降低死亡率的同时成功诱导了兔股骨头坏死。

旋翼/机翼气动干扰对复合式直升机性能影响
杨克龙, 韩东
2023, 49(7): 1761-1771. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0561
摘要:

为研究旋翼/机翼气动干扰对双螺旋桨推进复合式直升机的高速飞行性能的影响,建立一种可快速预测复合式直升机飞行性能的模型,以加装机翼和螺旋桨的AS365N“海豚”直升机为样例,分析了400 km/h高速飞行时,旋翼/机翼气动干扰对全机飞行性能的影响及机理,并探讨了用副翼操纵配平气动干扰引起的机翼滚转力矩时,全机功率的变化规律。研究表明:气动干扰增加了机翼的诱导速度,导致机翼的升力系数降低、阻力系数增加。在旋翼不对称涡系的作用下,位于旋翼前行侧下机翼的诱导速度和升阻力系数变化比后行侧的更显著。气动干扰导致机翼升力分配从80.00%降低至71.59%,旋翼升力分配从20.04%增加至28.48%。旋翼、螺旋桨和全机功率分别增加了16.60%、1.86%和3.76%。气动干扰使机翼滚转力矩增加、旋翼滚转力矩减小,利于全机配平,但会增加全机功率。用副翼操纵来平衡由气动干扰引起的机翼滚转力矩时,旋翼侧向周期变距和阻力减小,降低了全机功率。

基于度量学习的机场交通态势弱监督评估
杜婧涵, 胡明华, 张魏宁, 尹嘉男
2023, 49(7): 1772-1778. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0568
摘要:

为准确感知机场场面运行环境,提出基于度量学习的交通态势弱监督评估方法。根据机场场面航空器的时空分布类型,从交通流量、起降队列、资源需求等视角构建交通态势指标体系;借鉴度量学习范式,利用预先定义的相似集和不相似集自动学习态势样本之间的距离度量;在此基础上,采用K均值算法实现弱监督条件下交通态势的等级划分。以上海浦东国际机场实际运行数据为例,分析并验证所提方法的有效性。实验结果表明:起始时刻离场瞬时流量、离场累计流量、离场跑道队列长度及进场累计流量的距离系数大于0.5,对场面态势影响较大;与基于欧式距离的K均值算法相比,度量学习将最优轮廓系数提升了33.3%,得到符合预期语义的聚类结果;此外,机场的平均滑行时间越长、跑道配置越复杂,其场面交通态势等级越高。

星载GNSS-R土壤湿度反演中开放水域的影响
杨文涛, 徐天河, 王娜子, 高凡, 荆丽丽, 贺匀峤
2023, 49(7): 1779-1786. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0479
摘要:

通过星载全球导航卫星系统-反射测量(GNSS-R)技术可以获取高时空分辨率的土壤湿度(SM)信息,但开放水域会影响反演结果的精度。针对此问题,提出一种开放水域剔除的改进方法。校正其模拟功率得出反射率,结合掩膜数据精确剔除开放水域。为验证改进方法的可行性,处理了2个开放水域比较密集的试验区内为期一年的飓风全球导航卫星系统(CYGNSS) 1级数据。反演结果与主被动土壤湿度(SMAP)3级土壤湿度产品进行对比分析,其均方根误差为0.052 1 cm3/cm3,相关性为0.654。与开放水域剔除前的结果相比分别提升6.2%和9%;与CYGNSS官方发布的产品相比分别提升32%和24%。反演结果可以作为SMAP的SM补充,提供高时间分辨率的SM值。

考虑任务分配的无人机信息交互拓扑生成
薛莹, 何锋, 谷晓燕
2023, 49(7): 1787-1795. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0486
摘要:

无人机(UAV)持久编队信息交互拓扑的优化是保证UAV编队结构稳定性和任务执行时效性的重要基础。现有的编队生成算法针对距离因素进行权重赋值和拓扑生成,由于未考虑任务分配因素,可能会引起整体任务执行时间过长甚至任务失败的问题,对UAV的能量也造成了不必要的损耗。以任务消息传输时间和能量损耗为关键优化目标,在保证UAV编队结构稳定的前提下,提出考虑任务分配因素的信息交互拓扑生成算法,优先连接承载实时性要求较高通信任务的关键汇聚链路,对剩余链路通过引入惩罚项,在权重上进一步将任务消息传输量因素考虑在内,生成最终的信息交互拓扑。使用OMNet++进行仿真验证,相比于只考虑距离因素的信息交互拓扑生成算法,所提算法在20架UAVs编队场景下,消息传输时间方面最高降低57.3%,最低降低28.1%,关键任务消息的到达时延降低了45.2%~51.6%,而任务执行过程单UAV的能量损耗总体减少了17.5%,平均每个节点减少损耗16.1%。

基于LPV的主动隔振平台单支腿鲁棒控制器设计
唐育聪, 朱庆华, 刘付成, 曹赫扬
2023, 49(7): 1796-1801. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0513
摘要:

利用控制力矩陀螺(CMG)实现敏捷姿态机动控制时,保证机动过程控制输出力矩快速响应的同时,还需要保证机动到位后有效隔离CMG的机械振动以实现高稳定度姿态控制。针对控制CMG主动隔振平台,将控制CMG外框角速度作为变参数,提出单支腿主动隔振平台控制器的一种基于线性变参数(LPV)控制设计实现方法,通过与其他主动隔振控制方法性能比较分析,所提方法在兼顾敏捷姿态机动期间和机动到位后对主动隔振平台不同的力学传递要求方面有更好的性能。

基于NARX和Kriging的时变可靠性分析双层代理模型
常泽明, 李璐祎
2023, 49(7): 1802-1812. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0541
摘要:

针对具有动态输出性能的结构系统,传统的求解时变可靠性的代理模型方法在建模时只关注当前瞬间作用于系统的随机变量的作用,而忽视了时间累积效果,使得模型对于时变可靠性的预测效果并不理想。基于此,提出了一种基于带外生输入的非线性自回归(NARX)模型和Kriging模型的时变可靠性分析的双层代理模型方法。所提方法在内层利用NARX模型构建给定随机输入变量下输出响应随时间的变化模型,准确模拟系统的动态行为;在外层基于NARX所得极值构建系统极值与随机变量之间的Kriging模型,得到时变结构系统的可靠性。通过3个算例验证了所提方法在处理具有较强波动性输出系统的可靠性问题时的有效性和准确性。

基于可达集的无人机低空飞行冲突解脱算法
杨建航, 张福彪, 王江
2023, 49(7): 1813-1827. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0542
摘要:

针对无人空中交通管理(UTM)中的冲突解脱问题,提出了以可达集分析为基础的实时避撞算法。该算法可用于城市低空环境中的密集交通流空域,保证无人机(UAV)飞行过程的安全性。基于相对运动的概念,通过分析平面空域中的飞行博弈问题对避撞系统进行建模,同时利用水平集方法和最优控制理论对无人机的可达集进行分析和计算,使用机载传感器获取无人机与周围物体的信息,为每架无人机提供新的避撞策略。通过3种不同空域环境的飞行案例进行仿真实验,验证了该策略不仅可以得到平滑的飞行路径,实时安全地解决冲突解脱问题,而且针对合作/非合作目标均有效。

遥感图像语义分割的空间增强注意力U型网络
宝音图, 刘伟, 李润生, 李钦, 胡庆
2023, 49(7): 1828-1837. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0544
摘要:

针对基于深度学习的语义分割模型在解析遥感图像时,小尺寸目标和目标边界存在分割不准确的问题,提出一种U型网络模型SGE-Unet。该模型通过优化网络结构加强模型的特征提取能力;融合空间组增强注意力,提升模型对上下文语义信息的解析能力;采用中值频率平衡交叉熵损失函数抑制类别分布不均衡的影响。在2个数据集上进行实验,SGE-Unet的整体准确率、平均交并比、$\overline F _{1} $分数和Kappa系数均高于主流模型,Vaihingen数据集中小尺寸目标车的交并比和F1分数分别为0.719和0.901,比次优模型提升了16%和11%,实验结果表明所提模型能更精准地分割小尺寸目标及目标边界。

芯片间时间触发消息堆叠调度方法
臧光界, 李峭, 王彤, 熊华钢
2023, 49(7): 1838-1846. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0553
摘要:

时间触发(TT)通信方式应用于芯片间互连网络,以保证航空电子通信任务之间消息传递的严格时间确定性。当航空电子任务具有多种操作模式,属于不同模式的芯片间的时间触发调度表会重叠占用时隙,提出芯片间时间触发消息堆叠调度方法,以提高利用网络资源的灵活性和效率,同时减小应用层消息由于等待时间触发时间窗的排队延迟。仿真实验表明:与超调度方法相比,所提方法能够减小芯片间互连网络中时间触发消息的总端到端延迟和链路平均时隙占用率,对于端到端延迟时间较长且链路平均承载消息传输较多的场景,采用所提方法减少端到端延迟的效果更显著。

CFRP层压板脱黏缺陷红外脉冲热波层析成像检测
钟佳岑, 徐浩军, 魏小龙, 韩欣珉, 常怡鹏
2023, 49(7): 1847-1856. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0555
摘要:

为实现基于红外脉冲热波成像检测碳纤维增强塑料(CFRP)层压板脱黏缺陷的三维层析成像,完善外场定量检测保障体系,提高层压板在服役过程中的安全性和可靠性,开展了红外脉冲热波层析成像方法与检测技术研究。制备了一种人工脱粘缺陷试样,采用红外脉冲热波层析成像检测技术对脱粘缺陷进行检测,分析了脱粘区和非脱粘区的表面热信号瞬态响应过程及红外脉冲热波层析成像对脱粘缺陷的检测能力。通过脱粘区与非脱粘区基于对数多项式拟合的重构热信号差,计算得到热信号极值时间图像,分析了脱粘区极值时间变化规律及缺陷状态;采用核函数模糊C均值聚类对相同缺陷深度对应的极值时间数组进行二分类,由此计算数组平均值作为缺陷对应极值时间;将该时间与脱粘区极值时间数组建立统计关系来构造断层图像序列,并计算其对应的缺陷深度;在此基础上,利用等值面绘制方法实现层压板脱粘缺陷三维可视化。研究表明,红外脉冲热波层析成像能够定量检测CFRP层压板脱粘缺陷,准确可靠显示层压板内部缺陷的分布和形貌,检测缺陷深度与实际缺陷深度的最大相对偏差低于15%,对工程应用具有一定指导意义。

圆周均匀多相调制相关辐射计及其灵敏度分析
陈锐厚, 罗景, 胡岸勇, 苗俊刚
2023, 49(7): 1857-1863. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0560
摘要:

针对相关辐射计中由于运算放大器的零点漂移及增益起伏导致测量精度下降的问题,提出了在圆周上进行均匀多相调制的相关辐射计结构,利用最小二乘拟合方法对多相调制的测量结果进行处理,消除了运放零点漂移对相关辐射计测量偏差的影响。基于相关辐射计结构及噪声统计模型,推导了圆周均匀多相调制相关辐射计温度灵敏度的表达式,分析了系统灵敏度与调制阶数、增益起伏、调相误差的关系。分析表明:随着调制阶数的增加,增益起伏和调相误差对灵敏度的影响变小,圆周均匀多相调制相关辐射计的灵敏度趋于理想相关辐射计的灵敏度。

基于变弯度后缘的机翼阵风响应减缓数值研究
尉濡恺, 戴玉婷, 杨超, 于思恒
2023, 49(7): 1864-1874. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0563
摘要:

针对带有变弯度后缘的机翼建立了阵风响应分析的数学模型,并开展了阵风响应减缓的仿真研究。采用计算流体力学(CFD)方法计算变弯度后缘给定动态偏转运动下的广义非定常气动力,并基于状态观测器法辨识CFD数据建立后缘动态偏转下的广义气动力模型,采用面元法计算模态运动、阵风引起的广义气动力,利用广义预测控制(GPC)方法设计阵风减缓控制律,在此基础上对变弯度后缘与传统铰链舵面动态气动力特性进行对比。仿真结果表明:基于变弯度后缘的GPC方法能够有效减缓由阵风引起的机翼翼尖加速度响应,翼尖加速度减缓效率为44.33%;相比传统铰链舵面,变弯度后缘偏转时弦向剖面上下表面压力分布更连续,相同舵偏下对机翼动态气动力影响更大,阵风响应减缓效率也更高,采用变弯度后缘进行阵风减缓具有更为广阔的应用前景。

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