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2024年  第50卷  第1期

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2024年, 第50卷, 第1期
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低轨互联网星座发展研究
吴树范, 王伟, 温济帆, 吴岳东
2024, 50(1): 1-11. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0242
摘要:

近年来,随着互联网用户激增, SpaceX、OneWeb等创新型企业纷纷计划打造低轨互联网星座,引发全球低轨卫星互联网星座的发展热潮。因此,研究国内外低轨互联网星座的发展情况及当前面临的技术难题有着很重要的意义。基于此,介绍了国外具有代表性的3个低轨互联网星座计划(Starlink、OneWeb、Lightspeed)及国内星座的最新发展情况;根据低轨互联网星座的特点,着重分析了低轨互联网星座面临的五大技术挑战:星座相对运动演化预报、星座自主导航与定轨、星座构型重构的路径规划、星座自组织协同构型控制、星座通信与网络服务;根据当前低轨互联网星座的发展趋势,对中国在低轨互联网星座的发展给出了建议。

锂离子电池热失控气体毒性风险分析方法
张青松, 曲奕润, 刘添添
2024, 50(1): 12-19. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0217
摘要:

为研究锂离子电池热失控气体中主要有毒物质的危害程度,提出一种基于风险评估理论的锂离子电池热失控气体毒性风险分析方法。以点燃参数表征锂离子电池热失控发生概率,利用2种有效剂量分数(FED)方程与气体传感器阵列检测结果,建立锂离子电池热失控气体毒性动力学模型,进而表征气体毒性造成的后果,分析不同荷电状态(SOC)下三元锂离子电池热失控气体的毒性风险。结果表明:高SOC锂离子电池更易进入热失控状态,热失控释放的CO、HF及气体总量随SOC的增加而增加;锂离子电池SOC越高,热失控释放气体毒性风险越大,100% SOC锂离子电池毒性风险约为25% SOC锂离子电池的8倍,需要11倍的新鲜空气稀释才能达到安全浓度。研究结果可为锂离子电池热失控早期预警及气体毒性评价提供数据参考。

ML组合的CYGNSS海面风速反演质量控制模型
张云, 赵星宇, 杨树瑚, 孙聪, 韩彦岭, 尹继伟
2024, 50(1): 20-29. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0220
摘要:

卷积神经网络(CNN)可用于气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)的海面风速反演。虽然在模型训练前设置了质量控制指标来检测和削弱CYGNSS的异常观测数据,但CYGNSS观测数据中仍存在异常值导致模型反演精度降低,甚至出现错误反演结果。因此,提出一种基于机器学习(ML)组合的海面风速反演模型。在基于CNN回归模型的CYGNSS反演海面风速基础上,ML分类模型生成CNN回归结果的质量标志位,该标志位可以检测并删除CNN回归结果的异常值,进一步提高风速反演结果的数据质量,ML分类模型能够更好地考虑各种数据误差之间的相互作用,而不是单独使用每个条件的阈值,以达到更优的海面风速反演精度的效果。实验对比了Logistic回归(LR)、决策树(DT)、朴素贝叶斯模型、K最邻近(KNN)算法、神经网络(NN) 模型、支持向量机(SVM) 算法等6个分类模型,其中,基于KNN算法的分类模型对风速反演质量控制的效果最优。所提风速反演组合模型显著提高了反演结果的精度,在0~20 m/s区间内,异常样本过滤率为81.27%,在所有被过滤的数据中,过滤正确率为86.03%;风速反演误差的均方根误差从无ML分类模型的1.7 m/s降低到有ML分类模型的1.44 m/s,其中,训练样本为0~10 m/s的反演结果精度提升效果较为明显,证明了所提风速反演组合模型对风速质量控制的有效性。

改进迁移学习的双分支卷积神经网络图像去雾
李云红, 于惠康, 马登飞, 苏雪平, 段姣姣, 史含驰
2024, 50(1): 30-38. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0253
摘要:

针对现有图像去雾算法存在去雾不彻底和图像颜色失真的问题,提出一种迁移学习子网络和残差注意力子网络相结合的图像去雾模型。采用迁移学习子网络的预训练模型增强样本的特征属性;构建双分支网络结构,并利用残差注意力子网络辅助迁移学习子网络训练网络模型的参数;利用尾部集成学习的方法融合双网络的特征,得到去雾图像的模型参数,完成图像恢复任务。实验结果表明:所提算法在RESIDE数据集和O-HAZE数据集上PSNR指标比GCANet分别提高了1.87 dB和4.22 dB,在O-HAZE数据集上SSIM指标比GCANet提高了6.7%。

基于截断p-shrinkage范数的航空发动机数据重构
张红梅, 武江南, 赵永梅, 曾航, 李全根
2024, 50(1): 39-47. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0263
摘要:

针对航空发动机传感器的数据缺失问题,提出基于张量奇异值阈值(TSVT)的张量重构模型LRTC-PTNN,对航空发动机的传感器数据进行重构。LRTC-PTNN模型运用截断p-shrinkage范数的方式代替原始张量迹范数作为张量秩的凸包络,并根据TSVT的特性,计算了传感器之间的相关性,选取传感器截面作为重构精度最佳的数据输入方向,使用交替乘子法实现LRTC-PTNN算法。选取NASA提供的PHM2008数据集进行实验,对数据集进行标准化,并在重构后进行恢复,将多个时间序列个数相近的发动机传感器数据构建为高维张量的形式,设置2种传感器的数据缺失场景进行实验,结果表明:重构后数据的均方根误差和平均绝对百分比误差范围分别为2.10~13.13和0.32~1.49,LRTC-PTNN模型优于现有的基线模型,且在极端情况下有较强的鲁棒性。

多约束条件下四旋翼机动轨迹跟踪一体化控制方法
王英勋, 李欣, 蔡志浩, 赵江
2024, 50(1): 48-60. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0208
摘要:

四旋翼无人机高动态飞行需求的增加使其成为一个越来越热门的研究主题。针对四旋翼执行废墟裂缝和树林缝隙穿越任务时的大机动轨迹状态跟踪控制问题,提出基于模型预测控制的一体化控制方法,包含多约束条件下的高机动轨迹规划和多参考状态量的一体化跟踪控制,并通过飞行试验验证了所提方法相比前馈PID控制方法在跟踪规划的高机动轨迹时的优越性能。在飞行试验中,四旋翼成功穿越了60°滚转角的窄框,其实际滚转角达到60°大角度的同时,z轴误差仅为0.065 m。

基于虚拟协商与滚动时域优化的分布式协同制导策略
杨秀霞, 姜子劼, 张毅, 王聪, 于浩
2024, 50(1): 61-76. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0174
摘要:

针对目标机动条件下的多无人机协同制导问题,提出基于虚拟协商机制与滚动时域优化的分布式协同制导策略。为同时改善时间协调与导引控制效果,在滚动时域优化框架下设计局部协调变量与目标函数,构建有限时域内的多约束协同制导优化模型;为增强制导系统对机动目标的鲁棒性,设计基于非线性自回归神经网络的干扰观测器;针对无人机之间的控制输入耦合,提出虚拟协商机制,提出虚拟协商机制,实现同步决策、排除内部“分歧”,并利用Nesterov动量的均方根传播算法设计制导指令生成策略;分别进行数字仿真与半实物仿真实验。结果表明:所提策略可在线预测与优化,应对各类干扰,提升协同制导效果,并会在实际任务中得到进一步的应用与检验。

基于QAR数据的民机高高原进近着陆风险评估方法
陈农田, 满永政, 李俊辉
2024, 50(1): 77-85. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0186
摘要:

民机高高原进近着陆是高原飞行高风险阶段。为有效实施高高原进近着陆风险识别和等级判据,提出基于熵权可变模糊识别的长短时记忆网络与深度神经网络(LSTM-DNN)相融合的深度学习风险评估方法。基于快速存取记录器(QAR)记录的高高原飞行数据,借鉴民机飞行品质监控(FOQA)咨询通告和行业QAR 监控标准,结合指标重要度分析与Delphi专家调查,提取着陆时航向变化大、航迹低、610~305 m进近时下降率大、接地时垂直加速度及153~15 m进近时下降率大5个关键监控项目作为民机高高原进近着陆风险评估指标。为克服评估指标权重主观性偏差,应用熵权法确定评估指标权重,基于可变模糊识别方法构建风险等级隶属函数,建立基于LSTM-DNN的民机高高原进近着陆风险评估模型。以成都—拉萨进近着陆航段为例,提取QAR数据,对该风险评估模型进行训练与测试,并与Logistic多元回归、支持向量机(SVM)等评估方法进行比较,结果表明:所提方法平均准确率达到94.18%,最高可达94.79%,验证了方法的客观有效性。

基于协同滤波轨迹预测的机动目标RTPN拦截制导律
李继广, 陈欣, 董彦非, 屈高敏, 赵成功, 张阿龙
2024, 50(1): 86-96. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0211
摘要:

针对当前空中威胁目标拦截的实际需求,结合拦截器本身的机动能力,基于全覆盖协同策略,提出一种协同探测的现实真比例导引律(RTPN)制导拦截方法。所提方法解决了传统RTPN方法未考虑拦截器饱和过载限制及对任意机动目标捕获区域的确定问题。此外,针对拦截过程中对目标运动轨迹测量误差及协同探测数据丢包所引起的数据融合精度和鲁棒性问题,提出一种分布式协同滤波算法;针对数据传输和拦截器本身动力学响应延迟等问题,提出一种航迹预测算法。仿真结果验证所提方法能够有效解决饱和过载下的捕获区域确定及动力学延迟问题,及协同探测数据融合中数据丢包所引起的鲁棒性和精度问题。

无人机集群分组编队自适应跟踪-包含控制
张毅, 于浩, 杨秀霞, 姜子劼, 王晨蕾
2024, 50(1): 97-109. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0264
摘要:

针对无人机(UVA)集群分组编队跟踪-包含控制问题,建立包括分组协同、跟踪-包含的分层协同控制架构。为突出集群系统的顶层规划能力,提出基于队形参数组的分组协同控制策略,克服了现有多编队控制方法难以实现队形变换的缺陷;在考虑组间通信耦合的基础上,设计自适应分组编队跟踪-包含控制律,克服了控制输入对Laplacian矩阵特征值的依赖,并给出集群系统实现期望队形的可行性约束;对控制输入引入饱和约束,并进一步推导得到输入饱和约束下系统稳定的充要条件,避免了集群的大幅机动行为。研究结果表明:所提策略能够实现无人机集群分组编队的跟踪-包含控制。

恶劣天气下机场离场航班运行韧性评估及恢复
王兴隆, 赵俊妮, 王进
2024, 50(1): 110-121. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0193
摘要:

为保障恶劣天气下机场整体性能,科学评估机场离场航班运行韧性,提高航班恢复能力,从而有效缓解天气的影响。给出机场离场航班运行定义,从机场离场航班运行系统性能出发,分析航班离场延误时间、离场总延误时间、离场航班正常率和机场离场航班运行系统综合韧性指数4个指标,对系统在恶劣天气条件下的韧性变化进行评估;提出机场离场航班运行系统性能恢复策略,利用遗传算法对离场延误航班进行优化排序;以2012年北京首都国际机场“721”特大暴雨事件为实例进行数据分析,得到暴雨影响下首都机场的性能指标和韧性指数,对比分析机场离场航班运行系统性能及韧性水平变化。研究结果表明:受暴雨影响,机场离场航班运行系统综合韧性指数由0.4573下降到0.0628,暴雨减小后上升到0.2223;在进行航班优化排序后,离场航班总延误时间减少了24.85%,优化后机场性能恢复速度提升了13.89%,优化后的机场离场航班运行系统最小韧性指数提升了13.38%,系统性能优先恢复至初始状态,表明所提恢复策略有效。

基于图对比学习的稳健交通流量预测
刘伟, 贾素玲
2024, 50(1): 122-133. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0230
摘要:

作为智能交通系统的核心技术,稳健的交通流量预测是一个长期存在但具有挑战的任务。不论是工业界还是学术界,现有模型需要大量训练数据、易受数据噪声影响而表现不稳健,是限制该领域发展与实际应用落地的重要因素。而在学术界,图对比学习可以通过数据增强与对比损失来降低数据需求量,同时提升模型抵抗数据噪声的能力。提出一种交通流量图对比学习(TFGCL)框架,用于稳健的交通流量预测。TFGCL框架有3个创新点:针对交通流量图(TFG)数据的独特时空特性,TFGCL框架从时间和空间2个角度出发,提出3种TFG数据增强方法。针对TFG数据中语义相似的假负样本,提出一个过滤策略使TFGCL框架能够免受其干扰,从而学习到高质量的表征。TFGCL框架通过联合交通流量预测任务和图对比学习任务进行同时训练。在3个真实交通数据集上与8个基线模型进行对比实验,结果表明:TFGCL框架的预测性能更为稳健,较最优基线模型最高提升6.24%,TFGCL框架的稳健性尤其体现在数据缺失较为明显的数据集和长时交通流量预测任务中。

星载SAR天线展开机构装配精度确信可靠性建模
李云, 张湘霄, 孙富强, 李晓阳, 韩建超
2024, 50(1): 134-143. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0234
摘要:

星载合成孔径雷达(SAR)天线展开机构是空间桁架结构,其杆系和铰链的空间位置相互耦合,在装配过程中主要依赖于人工装调,装配精度难以准确控制,装配可靠性直接影响星载SAR天线的服役性能。为此,基于可靠性科学原理,提出星载SAR天线装配精度确信可靠性建模方法。考虑天线装配过程中影响装配精度的内因和外因,确定表征天线展开机构装配精度的性能指标及阈值,建立性能裕量模型。开展多源不确定性分析与量化,构建星载SAR天线展开机构装配精度确信可靠性模型。以某型号星载SAR天线展开机构为研究对象,进行可靠性敏感度分析和验证。研究结果表明:所提方法可为星载SAR天线展开机构装调提供理论指导,有效提高装配精度和效率。

基于动态视觉传感器的无人机目标检测与避障
蔡志浩, 陈文军, 赵江, 王英勋
2024, 50(1): 144-153. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0201
摘要:

针对无人机在动态环境中感知动态目标与躲避高速动态障碍物,提出了基于动态视觉传感器的目标检测与避障算法。设计了滤波方法和运动补偿算法,滤除事件流中背景噪声、热点噪声及由相机自身运动产生的冗余事件;设计了一种融合事件图像和RGB图像的动态目标融合检测算法,保证检测的可靠性。根据检测结果对目标运动轨迹进行估计,结合障碍物运动特点和无人机动力学约束改进速度障碍法躲避动态障碍物。大量仿真试验、手持试验及飞行试验验证了所提算法的可行性。

板翅式换热器传递函数动态模型及参数确定方法
梁兴壮, 黄志远, 艾凤明, 袁振伟, 汪箭
2024, 50(1): 154-162. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0202
摘要:

飞机综合环控/热管理系统迫切需要建立快捷高效的换热器动态仿真模型,以满足先进控制系统设计需求。基于此,针对板翅式换热器动态模型,提出一种包含2个延迟环节和4个一阶惯性环节的传递函数矩阵形式,并从换热器机理模型出发,利用拉普拉斯变换推导模型中4个时间常数的计算公式,提出基于换热器效率的传热热阻计算关系式的辨识方法,解决了主要模型参数设置难题。以板翅式换热器为研究对象,在Simulink仿真平台搭建其传递函数动态模型,并与AMESim仿真平台搭建的机理模型进行对比分析,结果显示:2种模型所得空气和冷却水出口温度分别随入口温度和质量流量阶跃变化的动态响应曲线吻合很好,其中,4种工况空气和冷却水出口温度最大稳态偏差分别为0.034 ℃和0.029 ℃,当冷却水入口质量流量阶跃变化时,空气出口温度动态响应相对偏差最大,为9.27%,当空气入口质量流量阶跃变化时,冷却水出口温度动态响应相对偏差最大,为7.03%。

电动静液作动器的非线性变阻尼积分滑模控制
杨荣荣, 张玲, 赵家黎, 付永领, 张朋
2024, 50(1): 163-172. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0252
摘要:

对于电动静液作动器(EHA),传统滑模控制器存在加速度信息难以获取,参数不易整定和控制信号抖振等问题,从而造成控制器很难应用于实际。针对以上问题,利用奇异摄动理论对EHA数学模型进行合理的降阶,从而使控制器设计避免了使用加速度信息。在此基础上,利用降阶模型设计了一种新型非线性变阻尼积分滑模控制器(NSMC),该控制器可根据位置控制误差实现系统阻尼比由欠阻尼到过阻尼的自适应调节,能有效提高位置阶跃调节性能。设计了一种基于滤波器的不确定项估计器对EHA中存在的参数不确定性和外部扰动进行实时估计并补偿。滑模面积分项的引入和不确定项估计器的使用,一方面使控制器中无需使用切换函数,实现了EHA的无抖振滑模控制,另一方面使系统整个动态过程完全表现为滑动模态,从而可根据EHA控制指标直接整定滑模面参数,大大简化了参数整定过程。同时利用Lyapunov 稳定性理论对整个闭环系统和滑模面的稳定性进行了详细分析。分别与PI控制器、传统滑模控制器(SMC)和传统变阻尼滑模控制器(DVSMC)进行了详细的仿真分析比较,仿真结果表明NSMC能有效提高EHA位置跟踪性能和增强对参数不确定性和外部扰动的鲁棒性。

过冷大水滴动力学行为对翼型结冰的影响分析
刘飞宇, 邓甜
2024, 50(1): 173-186. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0213
摘要:

过冷大水滴(SLD)是极端危险的飞行环境之一。因大粒径水滴独特的动力学行为变形破碎、飞溅反弹,传统结冰计算方法难以准确地反映SLD结冰情况。采用Navier-Stokes方法求解流场、Euler方法计算水滴撞击、Shallow Water模型模拟结冰,并与NASA实验结果进行了对比验证方法可信。结果表明:SLD动力学行为对结冰和冰形影响较大。其中,变形破碎改变了水滴运动轨迹和撞击范围,降低了水滴撞击极限,导致上下结冰极限减小2.83 %、2.13 %;飞溅降低了驻点附近水滴收集率,导致前缘积冰量减少8.09 %;反弹显著降低了水滴撞击极限,导致上下结冰极限减小30.69 %、20.01 %;撞击后飞溅反弹二次水滴再入流场使得上下结冰极限增加6.14 %、3.71 %。同时,与干净翼型相比带冰翼型空气动力学性能严重退化,在相同迎角下,升力更小、阻力更大、气动效率更低。

升空平台相对测量误差对定位精度的影响及定位算法
欧阳晓凤, 曾芳玲, 吕大千, 董天宝, 韩宜静
2024, 50(1): 187-197. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0240
摘要:

针对精准协同任务下的分布式升空平台高精度相对定位需求,基于超宽带(UWB)测距传感器研究了相对测距与定位模型,对UWB模块在非理想情况下存在的误差因素进行了推导分析,包括天线相位中心误差、测距刷新率和悬停稳定度。在此基础上对噪声成分进行了实测分析与滤波处理:通过Allan方差辨识UWB传感器噪声,并将有色噪声模型及估计参数引入到定位算法量测更新中,通过改进扩展卡尔曼滤波算法实现了分布式升空平台相对定位。仿真结果表明:在相对测量噪声服从非高斯分布情况下,所提算法相较于传统算法位置估计精度提高约23.43%。与传统算法相比,所提算法可减少测量色噪声影响,提高卫星导航拒止环境下的相对定位精度。

纤维排布对CFRP感应加热固化成型过程影响表征
付天宇, 杨宁, 古云飞, 许家忠, 蒋悦, 李斌
2024, 50(1): 198-207. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0259
摘要:

在采用电磁感应加热方式实现碳纤维复合材料(CFRP)加热固化成型的过程中,如何准确表征材料各组成部分的属性参数状态对研究材料加热过程中温度、固化度及应力场分布至关重要。根据纤维实际铺层方式对材料各组成部分进行独立表征,以及碳纤维壳体的等效电-磁-热特性建立了CFRP感应加热有限元细观分析模型,将纤维织构和树脂基体单独建立,实现CFRP在感应加热过程中其内部纤维织构中物理场的变化规律以及对材料整体升温变化规律进行系统分析。通过该模型计算了材料温度、固化度及应力场分布的变化规律,揭示了碳纤维排布对材料感应加热效果的影响,并根据感应加热实验验证了该模型可以准确表征各物理场的分布状态。为研究CFRP在感应加热中各物理场变化规律提供了有效的计算模型和分析方法。

三维自由弯曲过程中临界偏距对管材成形精度影响
范鑫, 程宗辉, 李少鑫, 舒送, 程诚, 郭训忠
2024, 50(1): 208-215. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0221
摘要:

三维自由弯曲成形过程中弯管处于少约束状态,弯管弯曲半径的大小及轴线形状取决于相应的弯曲模偏距值。为了准确成形出预设弯管的形状,提高弯管的自由弯曲成形精度,基于弯曲模临界偏距Ue建立了弯曲模偏距U和弯管弯曲半径RU-R)关系数学模型。采用有限元模拟与实验相结合的方法,研究了不同摩擦系数及材料参数条件下临界偏距的演化规律及其对弯管成形精度的影响。研究结果表明:引入临界偏距的U-R关系拟合结果更加符合实验结果。随着摩擦系数的增加,弯管塑性变形程度增加,临界偏距的数值降低,弯管弯曲半径减小。相比于SS304不锈钢弯管,相同工艺参数下6061铝合金弯管的弯曲半径增大,临界偏距降低。

广义多边形凸包弹性线递支模拟算法
崔钰萍, 李子涵, 郑国磊
2024, 50(1): 216-223. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0246
摘要:

针对诸多领域涉及的平面弯曲图形的凸包计算,提出弹性线递支模拟算法用于计算简单闭广义多边形的弹性包络线。所提算法基于物理模型,通过判断各支点是否受力平衡来判别其是否为弹性包络线上的平衡支点,并据此分别进行前进、回弹和跳跃等操作,直至计算出所有平衡支点进而求出其弹性包络线。3种典型的简单闭广义多边形的对比测算表明:所提算法可实时稳健地求解平面任意简单闭广义多边形的弹性包络线,具有高效性和普遍适用性。

飞机地面除冰保障过程动态预测
李彪, 邢志伟, 王立文
2024, 50(1): 224-233. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0189
摘要:

针对冰雪气象下除冰保障过程的精细化管理及预测精度低下的问题,提出了一种基于时空关联动态贝叶斯网络的飞机地面除冰保障过程动态预测方法。在系统性分析除冰保障过程的基础上,设计了面向离港除冰队列的时空关联节点判别方法,基于K最近邻算法简化关联节点并构建了变结构动态贝叶斯网络模型。基于核注意力机制的除冰保障节点先验概率密度估计方法,结合条件概率更新结果构建了面向不同状态的飞机地面除冰保障过程动态预测方法。实验结果表明:所提方法在考虑除冰保障演化不确定性的基础上实现了各节点的动态预测,平均绝对误差为2.34 min,整体精度相比静态贝叶斯网络方法最大提升8.66%,为地面除冰运行战术组织及决策控制提供了有效依据。

自抗扰控制在陀螺电机稳速控制中的应用
关伊哲, 冯明
2024, 50(1): 234-242. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0209
摘要:

陀螺电机的转速稳定性影响着陀螺仪性能,为提高永磁同步陀螺电机(PMSGM)的稳速控制精度,提出速度环采用自抗扰控制(ADRC),滤波环节采用基于模型自适应滤波算法的方法。将ADRC应用于陀螺电机矢量控制系统中,其速度环替代传统比例积分(PI)控制,减小速度环输出波动,从而提高陀螺电机的稳速精度;采用基于模型自适应滤波算法代替传统低通滤波算法,无需相位延时补偿并使估计得到的反电动势波形更为平滑,提高转子位置角估计的准确性和稳速控制精度。因此,设计开发PMSGM矢量控制器,仿真及实验结果表明:所提方法相较于传统控制方法,有效地提高了陀螺电机的稳速控制精度。

空间可展开天线铰链热变形分析与试验验证
杨智杰, 张从发, 赵瑞杰, 王春洁, 赵军鹏
2024, 50(1): 243-249. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0219
摘要:

在轨热变形是影响空间可展开天线精度的关键因素之一,因此,空间可展开天线结构的在轨热变形分析具有十分重要的意义。随着空间探测任务要求的不断提高,铰链热变形对空间可展开天线指向精度的影响已经不可忽略。以某空间可展开天线的根部铰链和臂间铰链为研究对象,建立其有限元模型,计算铰链主弯方向和侧弯方向在温度每变化10 ℃时相对角度的变化。基于高低温箱和电子经纬仪构建铰链精度测试系统,开展铰链热变形试验。试验结果表明:根部铰链和臂间铰链在主弯方向和侧弯方向呈现纯结构热变形特性,仿真结果与试验分析结果基本一致,验证有限元模型和试验分析方法的正确性。根据铰链主弯和侧弯方向角度相对变化,评估热变形对铰链变形的影响。该建模和试验分析方法可为同类型空间可展开天线设计、分析和优化及类似可展开机构精度影响因素的分析提供参考。

拓扑优化相变热沉在不同重力场的性能
王仕淞, 殷健宝, 邢玉明, 侯煦, 王子贤
2024, 50(1): 250-259. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0222
摘要:

为强化相变热沉的性能,基于带惩罚的固体各向同性材料(SIMP)法对山梨糖醇相变热沉进行传热拓扑优化设计。对拓扑优化的相变热沉(Ⅰ)和直肋式的相变热沉(Ⅱ)进行定常重力(0~20g)和周期性重力条件的数值模拟研究。利用无量纲数对比二者的热性能,研究结果表明:热沉Ⅰ的吸热和均热性能优于热沉Ⅱ;在相同重力环境下,以80 ℃为目标,热沉Ⅰ温控时间比热沉Ⅱ平均多26.8%;微低重力下热沉内部近乎导热,略逊于常规重力下热性能;超重力强化的自然对流可以显著提升热沉性能,10g条件相比常规重力的温控时间增加8.94%,而相同Ra*下,周期性重力对热沉Ⅰ的性能有抑制作用。研究结果对飞行器载相变热沉的地面细化设计有一定指导意义。

基于预设性能的飞机全电刹车系统滑模控制
谢明军, 段京奇, 马文冉, 贾玉红
2024, 50(1): 260-267. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0229
摘要:

针对飞机全电防滑刹车系统具有较强的非线性特征,以及机电作动器(EMA)中存在的干扰不利于系统稳定性,提出一种有限时间预设性能反演滑模控制方法。在合理简化的基础上,建立含滑移率子系统和EMA子系统的飞机全电防滑刹车系统的数学模型,并引入有限时间预设性能函数;利用预设性能反演控制方法设计滑移率控制器,获得参考刹车压力控制率,保证滑移率跟踪误差在有限时间内收敛到预设范围内;为跟踪参考刹车压力,利用非奇异终端滑模控制方法设计EMA控制器,针对EMA中存在的干扰,设计扩张状态观测器估计,并在控制器中进行补偿,提高控制器的鲁棒性和控制精度;通过干跑道和冰跑道2种情况下的数值仿真验证所提方法控制效果。

基于平滑矩阵集优化的双基地MIMO雷达相干目标DOD和DOA联合估计
游致远, 胡国平, 周豪, 郑桂妹
2024, 50(1): 268-275. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0173
摘要:

针对在进行相干目标测向时出现的协方差矩阵秩亏现象,双基地多输入多输出(MIMO)雷达探测相干目标会出现精度差、角度分辨率低等问题,提出一种基于分集平滑优化对相干目标波离方向角(DOD)和波达方向角(DOA)进行联合估计的算法。所提算法能通过分集平滑降维协方差矩阵,构造更有效的平滑矩阵集对相干目标进行联合角度估计。将发射阵列和接收阵列进行分集平滑并构建发射子矢量,计算其协方差矩阵;将每个发射子矢量的协方差矩阵进行平滑重构而后进行加权处理得到前向平滑矩阵;对前向平滑矩阵进行共轭翻转等变换后,得到前后向平滑矩阵,再对其进行奇异值(SVD)分解;利用降维多重信号分类(RD-MUSIC)算法对信号进行空间谱估计并实现DOD和DOA自动配对。所提算法有效提高双基地MIMO雷达对相干目标的测向性能,并通过实验证明所提算法的可行性。

基于飞机状态的备件动态规划技术
康子旭, 周栋, 李会欣, 郭子玥, 陈承璋, 宋子骋
2024, 50(1): 276-285. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0177
摘要:

伴随民航业的竞争日趋激烈,航空公司迫切需要控制成本以提升效益。民机备件既是直接影响飞行安全的关键因素,备件成本又在航空公司可控成本中占比最高。因此,在保证飞行安全的前提下做好备件规划,对航空公司有至关重要的意义。根据民机备件的安全级别、故障修复时限等对备件分级设置保障率水平,采用符合备件故障特性的马尔可夫生灭过程,建立满足给定保障率水平的备件量计算模型,并在此基础上建立以保障成本最低为目标函数,满足保障率水平为约束函数的备件量动态规划模型。基于飞机状态分析历史故障数据、季节性、日利用率、机队规模对备件保障的影响,在所建模型中将故障率季节性差异、日利用率和飞机停场损失淡旺季差异进行评估以减小计算结果与实际需求的偏差。以H航空公司ERJ-190机型显示组件为例,对所建模型进行应用验证,计算结果与H航空公司运营实际相吻合,证明所建模型可为航空公司备件规划提供技术方法支持。

融合边界处理机制的学习型麻雀搜索算法
王子恺, 黄学雨, 朱东林, 闫少强, 李权, 郭伟
2024, 50(1): 286-298. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0195
摘要:

为改善麻雀搜索算法(SSA)初始化阶段种群分布不充分,寻优过程中容易受到局部最优解干扰的不足,提出融合边界处理机制的学习型麻雀搜索算法(HSSA)。使用Piecewise map初始化种群,提高种群的分散程度;使用排序配对学习与竞争学习策略分别更新跟随者和警戒者,确保各代的最优解信息能够引导下一代的位置更新;自适应的警戒者数量使得警戒者作用被强调,提供灵活的应变机制;根据不同阶段的寻优特点制定多策略边界处理机制,保留住种群数量的同时,为超出边界的个体提供更加合理的搜索位置。经过12个基准函数的仿真实验,并借助消融实验、Wilcoxon秩和检验等证明了HSSA在收敛速度上的稳定性和寻优的高效性。

LS-SVM和抗差估计的GNSS/INS紧组合欺骗检测算法
柯晔, 吕志伟, 周玟龙, 邓旭, 商向永, 武文博
2024, 50(1): 299-307. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0231
摘要:

针对传统欺骗检测算法对斜率较小的斜坡式欺骗检测时间过长、虚警率和漏检率偏高等问题,提出一种最小二乘支持向量机(LS-SVM)和抗差估计的全球卫星导航系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)紧组合欺骗检测算法。所提算法通过抗差自适应调整增益矩阵,有效削弱欺骗对新息的影响,将抗差优化的训练数据集经LS-SVM回归得到的预测新息来代替滤波器中的欺骗新息,从而进一步提高对斜率较小的斜坡式欺骗检测处理能力。仿真结果表明:在检测欺骗值为0.1 m/s的斜坡式欺骗时,所提算法与传统算法相比,检测时间缩短26.65%,虚警率降低40.63%,定位精度提高72.72%。所提算法具有检测快、虚警率低的优势,适用于GNSS/INS紧组合导航用户的斜坡式欺骗检测。

月基装备行走运动学分析与连续步态规划
何天宇, 董洋, 檀傈锰, 王岩, 赵军鹏, 王春洁
2024, 50(1): 308-316. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0232
摘要:

针对缓冲行走功能一体的月面探测器构型设计困难、步态分析复杂等问题,提出了一种基于相同支链构型的四足月基装备(LBE)设计分析方法与连续步态规划方案。设计复合功能着陆腿机构及整机多状态位姿;构建LBE在行走状态下的单腿运动学模型,对其进行正逆运动学求解,分析单腿与整机工作空间和运动性能;对LBE整机进行水平月面的连续步态规划,并设计单步足端轨迹,通过动力学仿真,验证LBE行走步态稳定性。仿真结果表明:LBE沿前进方向连续稳定运行,质心竖直方向浮动仅占整器高度的0.24%,俯仰角最大摆动幅度为0.34°,翻滚角最大摆动幅度为0.27°。

基于领域概念图的航天新闻自动摘要模型
黄浩宁, 陈志敏, 徐聪, 张晓燕
2024, 50(1): 317-327. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0233
摘要:

互联网海量的航天新闻中隐含着大量航天情报信息,对其进行理解与压缩是提高后续情报分析效率的基础。然而通用的自动摘要算法往往会忽略很多航天领域关键信息,且有监督自动摘要算法需要对领域文本进行大量的数据标注,费时费力。因此,提出一种基于领域概念图的无监督自动摘要(DCG-TextRank)模型,利用领域术语辅助引导图排序,提高模型对领域文本的理解力。该模型分3个模块:领域概念图生成、图权重初始化、图排序及语义筛选。根据句向量相似度和领域术语库,将文本转换为包含句子节点和领域术语节点的领域概念图;根据航天新闻文本特征初始化领域概念图权值;采用TextRank模型对句子进行排序,并在语义筛选模块通过图节点聚类及设置摘要语义保留度的方法改进TextRank的输出,充分保留文本的多语义信息并降低冗余。所提模型具有领域可移植性,且实验结果表明:在航天新闻数据集中,所提模型相比传统TextRank模型性能提升了14.97%,相比有监督抽取式文本摘要模型BertSum和MatchSum性能提升了4.37%~12.97%。

基于隐含非线性维纳退化过程的剩余寿命预测
杨家鑫, 唐圣金, 李良, 孙晓艳, 祁帅, 司小胜
2024, 50(1): 328-340. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0243
摘要:

准确的剩余寿命预测有助于提高系统的可靠性安全性,并降低系统全生命周期的经济成本。工程应用中,由于不确定测量的影响,随机退化系统的非线性退化特征一般处于隐含状态。针对现有隐含尺度变换非线性维纳退化过程主要应用于退化建模和寿命分布估计的问题,提出一种针对隐含尺度变换非线性维纳退化过程的剩余寿命预测方法。建立同时考虑测量误差和尺度变换非线性维纳过程的退化模型,并通过Kalman滤波方法根据设备现场退化数据进行参数在线更新。推导出考虑模型参数在线更新的剩余寿命概率密度函数和累积分布函数解析表达式。基于历史退化数据,提出一种针对隐含尺度变换非线性维纳退化过程模型未知参数的极大似然无偏估计方法。通过仿真退化数据和实际涡扇发动机数据进行实验验证。实验结果表明:同时考虑测量不确定性和非线性退化特征的剩余寿命预测方法具有更高的预测精度。

爆炸冲击波作用后变形机翼模态数值模拟
肖良丰, 周兰伟, 李向东
2024, 50(1): 341-349. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0244
摘要:

为研究典型机翼在爆炸冲击波作用下的毁伤效应及其损伤后的结构动力学特性,基于有限元方法,研究了爆炸当量、爆炸方位及爆炸距离等对典型机翼损伤程度的影响,并分析了机翼结构变形程度与模态的关系。研究结果表明:冲击波强度和作用位置的变化对机翼结构的损伤及模态频率会产生不同程度的影响;随着冲击波强度的增加,机翼结构越早产生变形,对应的各阶模态频率下降越大,其中,二阶频率最大减少了15.02%;爆炸点位于机翼中心正上方时,机翼的变形最大;与无损伤机翼模态固有频率相比,爆炸冲击波作用在机翼中心位置时,各阶模态频率减小幅度最大,减少幅度为8.29%~15.02%。

2195-T8铝锂合金疲劳多裂纹融合试验与仿真研究
庞闯, 刘德俊, 田干, 郭伟, 刘德博
2024, 50(1): 350-358. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0249
摘要:

铝锂合金作为航空航天广泛应用的合金材料,其疲劳断裂行为的研究对结构安全性评价具有重要意义。以第三代铝锂合金2195-T8为研究对象,通过恒幅拉-拉疲劳试验和有限元方法对2195-T8 铝锂合金疲劳裂纹扩展行为进行试验与仿真研究。基于断面显微测量与观察,在仿真模型中引入多个初始裂纹,模拟多裂纹的融合扩展过程,获得多裂纹独自扩展、交融时扩展和融合后扩展的规律。结果表明:裂纹融合前,在疲劳循环载荷作用下,裂纹尖端应力强度因子总体上不断增大,塑性区域体积增加区域平缓;当裂纹相互融合时,裂纹面处应力强度因子瞬时增大,远高于其余裂尖数值大小;随着裂纹进一步融合,尖端应力强度因子数值趋于平稳;裂纹完全融合后,到达裂纹快速扩展阶段,塑性区域体积与扩展步数呈正比增加,扩展速率呈现先快后慢的规律,裂纹面交汇融合成新的椭圆形状裂纹面。

常见问答