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2021年  第47卷  第4期

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2021年, 第47卷, 第4期
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论文
函数调用网络的结构属性及其静态鲁棒性
王尔申, 任虹帆, 宏晨, 孙庆华, 刘畅, 徐嵩
2021, 47(4): 675-681. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0039
摘要:

通过对开源软件tar和MySQL源码的分析,构建基于函数调用的有向软件网络模型,研究函数调用网络的度分布、聚类系数等多个结构属性。结果表明,多个主要软件模块的耦合才使得整个函数调用网络具有高聚类特性;节点的依赖度(影响度)与节点的出度(入度)存在正相关性;节点的依赖度与影响度具有负相关性。基于有向软件网络鲁棒性的弱连通和强连通指标,采用不同节点攻击策略验证函数调用网络的静态鲁棒性。研究结果表明,对于tar网络,高出度策略对网络的弱连通性具有最佳的攻击效果;对于MySQL网络,高入度策略对网络的弱连通性具有最佳的攻击效果。

基于R-D SSD模型航空发动机安装工位检测算法
陈科山, 郝宇, 何泓波, 李坤龙
2021, 47(4): 682-689. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0321
摘要:

为解决航空发动机在安装过程中大多实行人工安装、定位不精确等问题,在研究其自动化安装方法中,针对航空发动机安装工位的检测需求,提出了一种残差网络与膨胀卷积相融合的SSD改进算法(R-D SSD)。将经典SSD模型的主干网络VGG16替换为残差网络ResNet-101,并增加其输出特征图上的预选框数量,解决了原始算法对底层特征抓取能力不足的问题,进而弥补了对小目标检测效果较差的缺陷;利用膨胀卷积扩大网络的感受野,获取足够的安装工位边缘特征细节信息,在不改变网络结构的同时,保证了模型良好的实时性和对目标的检测精度。实验表明:对于小目标数据集和整个数据集,R-D SSD算法的平均检测精度较原始算法分别提高了8.6%和4.0%,可以满足航空发动机安装时平均检测精度不低于85%的要求。

飞机舱门泄压阀机构磨损可靠性与灵敏度分析
周长聪, 赵浩东, 常琦, 吉梦瑶, 李琛
2021, 47(4): 690-697. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0024
摘要:

泄压阀机构是飞机舱门的重要组成部分,对维持飞机正常安全运行起到重要作用。在ADAMS软件中建立了飞机舱门泄压阀机构多体动力学仿真模型,研究销轴发生以磨损为主要形式的性能退化时,对泄压阀机构定位精度的影响。建立了泄压阀机构定位精度的功能函数,引入主动学习Kriging代理模型,挑选符合学习准则的点提高代理模型精度。采用Monte Carlo方法计算了不同磨损次数下泄压阀机构的失效概率与3种全局灵敏度指标的变化规律,并给出了不同阈值情况下失效概率和基于失效概率的全局灵敏度指标的变化规律。结果表明:在不同磨损次数下,对于磨损量较大的销轴,其全局灵敏度指标值也较大,并且各项指标随磨损次数的变化规律存在差异。

电子车钥匙环境下的口令认证密钥交换协议
明悦, 邹俊伟, 沈婷
2021, 47(4): 698-705. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0246
摘要:

车联网的快速发展促进了电子车钥匙的研发,为解决基于智能手机的电子车钥匙与车锁之间的通信安全问题,提出了电子车钥匙场景下的安全模型和口令认证密钥交换协议。所提协议通过智能手机的协助,完成车钥匙与车锁之间的认证,即使智能手机被恶意代码侵袭或者丢失,所提协议也能保护用户的隐私。在安全模型下进行的安全性证明和性能分析表明,所提协议能够抵御字典攻击、中间人攻击、重放攻击、用户伪装攻击、内部攻击等。在计算消耗方面,所提协议性能优于同类型其他协议,减少了50.7%的计算消耗总量。

压电式高速开关阀控液压缸位置系统
俞军涛, 占昊, 王丽, 焦宗夏
2021, 47(4): 706-714. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0345
摘要:

针对开关阀控液压缸位置分辨率低、响应慢的问题,设计了压电式高速开关阀控液压缸位置系统。首先,建立开关阀控液压缸位置系统模型,分析了PWM载波频率对开关阀流量特性的影响规律,采用基于差动流量的双阀结构,实现液压缸负载流量的非线性补偿,减小开关阀死区对系统静、动态性能的影响。然后,分析双阀控制式液压缸系统负载脉冲流量的影响因素,得到了开关阀控液压缸位置抖振的产生机理,比较基于脉冲流量的PWM、PAM、PFM控制方法。最后,依据压电式高速开关阀流量特性,提出了PWM+PAM的复合控制方法,根据误差信号及其变化,调节占空比和流量幅值,实现液压缸位置的快速、精确控制。仿真及实验结果表明:系统定位精度将近1%,为高速开关阀及其控制系统应用提供了理论基础。

用频装备带内多频电磁辐射阻塞干扰效应预测方法
李伟, 魏光辉, 潘晓东, 孙梳清
2021, 47(4): 715-723. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0016
摘要:

为解决用频装备复杂电磁环境效应准确评估的技术难题,从电磁辐射信号耦合传输的基本理论出发,推导揭示了射频前端线性不良和动态范围不足分别是导致用频装备电磁辐射效应对带内多频电磁辐射干扰场强有效值、幅值敏感的本质原因。在此基础上建立了2类用频装备的带内多频连续波电磁辐射效应模型,提出了通过正弦调幅波(调制深度100%)、单频连续波电磁辐射临界干扰场强有效值之比(Eame/Esine)确定受试装备电磁辐射敏感类型的方法。Eame/Esine>0.9时,受试装备对干扰场强有效值敏感,0.612 < Eame/Esine < 0.9时,受试装备对干扰场强幅值敏感。通信电台带内双频、三频电磁辐射效应试验验证表明:所提建模预测方法的误差小于10%,能够有效预测用频装备带内多频连续波电磁辐射效应。

军航无人机与民航航班侧向碰撞风险评估
李琦, 甘旭升, 孙静娟, 王明华
2021, 47(4): 724-730. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0030
摘要:

近年来无人机(UAV)已经成为新型作战力量。为解决军航UAV与民航航班之间的飞行冲突,确保飞行安全,对经典EVENT模型进行改进,提出适用于UAV的碰撞风险模型。着重研究了导航方式、人为因素、高空风对于UAV飞行的影响,并构建了相应的位置偏差模型。首先,利用蒙特卡罗法求解军航UAV与民航航班之间侧向间隔丢失的频率;其次,利用MATLAB进行算例仿真,验证模型的有效性,并得出了侧向碰撞概率随参数变化的关系;最后,通过计算不同安全间隔下的碰撞风险,对空域使用提出建议。

基于Frenet和改进人工势场的在轨规避路径自主规划
刘冰雁, 叶雄兵, 方胜良, 刘怀兴, 贾珺
2021, 47(4): 731-741. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0169
摘要:

在轨道间机动的航天器规避空间目标,需兼顾沿转移轨道飞行的绝对运动和规避空间目标的相对运动,路径自主规划难度较大且目前国内外公开研究成果较少。针对上述问题,提出了一种将Frenet坐标系与改进人工势场相结合的在轨规避路径自主规划方法。首先,构建Frenet坐标系表述空间规避运动,解决了路径规划中航天器与既定转移轨道相对位置不易表述的难题,实现了空间规避运动的简便表示;其次,改进人工势场函数、调整势场作用区域,避免了传统人工势场法存在过早轨迹偏离以及局部震荡现象,实现了对空间目标的自主规避;最后,考虑规避安全、轨道保持、制动时效以及燃料消耗因素构建全局优化函数,能够满足不同任务的需求与偏好,实现了沿转移轨道飞行的最小偏移与快速恢复。算法比对与算例求解表明:所提方法应用优势明显,路径平滑、偏移量小,满足航天器规避空间目标的路径规划需求。

垂直起降固定翼无人机串联混电系统优化设计
陈刚, 贾玉红, 马东立, 夏兴禄, 张欣
2021, 47(4): 742-753. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0015
摘要:

针对垂直起降固定翼无人机的动力需求特点,提出了一种专用于该类无人机的串联混电系统(S-HES)优化设计方法。首先,建立了旋翼、固定翼及转换模式下的垂直起降固定翼无人机的功率需求模型和基于串联混电系统功率传递路径的混电功率解算方程,给出了计及功率约束、能量约束及电池充电的电池质量解算方法,并在大量统计数据的基础上建立了其他混电部件质量解算方程。其次,使用威兰氏线法建立了考虑发动机工作点变化的燃油消耗模型。使用柯西变异粒子群算法基于各物理数学模型在飞行剖面内的各个飞行阶段展开混电控制参数优化,从而完成垂直起降固定翼无人机的顶层设计要求向串联混电系统最佳供电策略、设计功率及质量分配方案的转化。在城市货运和山区货运2种应用场景下对所提方法进行了验证。最后,分析了优化设计结果对于不同飞行阶段性能要求的敏感性。研究结果表明:所提方法可较好地捕捉垂直起降固定翼无人机任务剖面的调整及各飞行阶段的性能要求变化对串联混电系统优化设计结果的显著影响,对垂直起降固定翼无人机的各类应用场景均具有较好的适应性。

临近空间大气密度扰动对高超声速飞行器气动热环境的影响
程旋, 肖存英, 杜涛, 胡雄, 杨钧烽
2021, 47(4): 754-764. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0044
摘要:

基于TIMED/SABER 2002—2018年大气密度观测数据,统计分析了20~80 km大气密度扰动对高超声速飞行器飞行热环境的影响。根据驻点热流估算方法给出的大气密度变化量与热流变化量之间的关系,定性和定量分析了不同月份大气密度相对变化量引起的热流变化量在垂直和水平方向的分布特征。研究表明:SABER大气密度月年均值计算的热流相对USSA76在夏季半球中高纬度地区偏高,在冬季半球偏低。在夏季半球高纬度地区约80 km附近存在热流增量的极大值,南半球夏季的极大值高于北半球夏季,尤其在南半球1月份,热流偏高可达32.2%。在经度方向,热流分布在夏季半球差异较小,冬季半球差异较大;考虑真实大气中存在的扰动时,在南半球和北半球夏季80 km附近,SABER大气密度预测的热流分别比USSA76偏高可达40.7%和36.6%。在经度方向,大气扰动引起的热流经向分布差异显著。在飞行器设计时,大气扰动的影响不能忽略;高超声速飞行器飞行应避免在夏季穿越南半球和北半球,规避热流增加带来的风险。

电动舵机模块化建模及动刚度仿真
卢晋, 吴志刚, 杨超
2021, 47(4): 765-778. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0020
摘要:

颤振是一种危险的气动弹性失稳形式,舵机动刚度对舵系统的颤振特性具有不可忽视的影响,因此舵机的精确建模与仿真分析十分有必要。针对此问题,提出了一种电动舵机模块化建模方法及动刚度计算机模拟方法。以“直流电机-减速齿轮-滚珠丝杠-拨叉副”典型结构的电动伺服舵机为对象,将其分解为具备核心功能的子模块,充分考虑了实际结构中可能出现的主要非线性因素,再根据子模块之间的连接关系来搭建整体的舵机模型。基于该舵机模型,提出了利用步进正弦扫频信号激励、最小二乘法数据处理得到动刚度的计算方法,并以某舵机为算例,开展了舵机主要线性参数及非线性因素对舵机动刚度影响的研究。电动舵机模块化建模方法通用性好,便于不同舵机的拓展。电机转子阻尼、减速器的传动比以及输出轴处的阻尼对舵机的动刚度影响很大,间隙、接触刚度和摩擦这3类非线性因素对舵机的动刚度特性也具有重要的影响。

一种连翼飞行器气动和飞行力学迭代仿真方法
蔡玉红, 刘刚, 洪冠新
2021, 47(4): 779-791. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0022
摘要:

根据连翼布局飞行器气动力和力矩的分布特点,建立了面向其气动部件的飞行力学数学模型。将计算流体力学(CFD)和飞行力学仿真结合,采用时间步长离散,建立了一个能通过气动计算和飞行力学相互迭代来完成仿真全过程的面向连翼布局飞行器气动部件的仿真平台,并且在仿真过程中能全程监测所有部件的气动、动力学、姿态和航迹参数的变化。通过该仿真平台对不同输入信号作用下的动力学响应分析了连翼布局飞行器纵向和横侧向的动力学特性。仿真分析结果表明:该连翼布局飞行器纵向具备静稳定性,但横侧向不具备静稳定性。同时,横向和航向运动耦合明显,符合荷兰滚运动偏航及侧滑振荡明显的主要特征。所提方法可为了解连翼布局飞行器本体及飞行动力学响应特性、飞行品质和飞行安全研究等工作提供分析基础。

不可靠测试条件下基于NSGA-Ⅱ的多目标测试优化选择
翟禹尧, 史贤俊, 杨帅, 秦玉峰
2021, 47(4): 792-801. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0036
摘要:

针对测试不可靠因素严重影响测试优化选择结果以及现有方法不能很好解决多目标测试优化选择等问题,提出基于第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)的多目标测试优化选择的方法。首先,描述了测试不可靠条件下多目标优化选择问题的数学模型;其次,在该数学模型下,将系统给出的故障检测率和隔离率作为约束条件,将测试代价、漏检率和虚警率作为优化目标,建立了多目标优化问题;然后,提出带有精英保留策略的NSGA-Ⅱ对多目标问题进行优化选择,利用NSGA-Ⅱ能够得到一组Pareto最优解,可根据实际需求选择最优的测试组合;最后,针对某装备进行实例分析,得到3组最优解,可以满足不同需求下的最优选择,验证了所提数学模型与多目标优化算法的可行性与有效性。

基于GNSS测量的天宫二号质心确定
金哲阳, 王文彬, 刘江凯
2021, 47(4): 802-813. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0019
摘要:

由于轨道机动燃料消耗,科学载荷加载、分离,以及伴飞小卫星在轨释放等原因引起天宫二号空间站质心(COM)发生位移,从而影响天宫二号的动力学质心定轨精度。针对这一问题,提出了基于全球导航卫星系统(GNSS)测量数据的简化动力学质心估计方法。燃料消耗是引起天宫二号质心发生位移的主要原因,质心在本体坐标系X轴方向位移最为显著。利用GNSS测量数据对天宫二号进行质心估计和精密定轨,在三轴对地稳定姿态下,本体坐标系X轴方向与轨道切向重合,定轨结果对本体坐标系X轴方向的质心位移并不敏感。但在连续偏航模式下,本体坐标系X轴在轨道法向上有较大分量,X轴方向的质心位移对基于GNSS测量计算的精密定轨结果有较大影响。定性和定量分析结果表明:偏航姿态模式下天宫二号本体坐标系X轴方向质心位移估计具有可行性。天宫二号实测数据计算结果表明:与未做质心估计的定轨结果进行对比,质心估计后表征轨道动力学建模误差的经验加速度补偿水平在轨道径向、切向和法向上分别降低62%、50%和65%;载波相位后验残差标准差降低0.04 cm;精密轨道与全球激光测距数据比较精度提高0.86 cm。所提方法可以应用于大型低轨航天器在轨质心估计。

基于信息素决策的无人机集群协同搜索算法
吴傲, 杨任农, 梁晓龙, 侯岳奇
2021, 47(4): 814-827. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0026
摘要:

针对无人机(UAV)集群在未知环境中无先验信息条件下的搜索问题,提出了一种以信息素为决策机制的无人机集群协同搜索算法。首先,考虑无人机通信约束,建立了有外部节点的星型网络通信和无外部节点的自组织网络通信2种形式的搜索模型。其次,通过环境地图向信息素地图映射的方法建立任务环境模型。将任务过程分为3个阶段,在搜索阶段,无人机通过不断地移动实现本机信息素地图的更新;在通信阶段,通过通信网络实现多机信息素地图的融合;在决策阶段,根据局部信息和全局信息做出决策,并将栅格信息素浓度作为决策函数来引导无人机的位置更新。基于信息素地图覆盖率来定量描述搜索效果。最后,仿真结果表明,所提算法能够对区域进行覆盖搜索,表现为搜索效率高、抗毁性强、受集群的初始位置影响小。

环境温度对汽油缸内直喷汽车排放的影响
胡守信, 赵耀炜, 李兴虎
2021, 47(4): 828-834. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0031
摘要:

选取2辆典型汽油缸内直喷汽车(GDIV),在环境舱内进行了不同环境温度下,车辆冷启动和热启动后按照全球轻型车统一测试循环(WLTC)运行时的排气污染物试验,测量并分析了GDIV排气中的气态污染物和颗粒物,旨在为GDIV排放系统设计、控制策略制定以及评价汽车排放对环境影响的相关研究提供理论依据。研究结果表明:环境温度对GDIV试验车辆冷启动和热启动的颗粒物数量(PN)和颗粒物质量(PM)排放因子影响显著。环境温度低于14℃,冷启动工况下行驶时PN排放难以满足国Ⅵ排放标准限值,总碳氢化合物(THC)和CO的排放因子受温度的影响显著,热启动时影响不明显。无论是热启动还是冷启动工况,当温度从-7℃逐步上升到40℃时,试验车辆的CO2排放因子呈现先减少后增加的变化规律,2辆车在热启动时的CO2排放因子比冷启动时平均降低4%和7%。冷启动和热启动时,氮氧化物(NOx)排放因子受温度的影响均没有明显的规律。

基于改进Hopfield神经网络的对地攻击型无人机自主能力评价
丰雨轩, 刘树光, 解武杰, 茹乐
2021, 47(4): 835-843. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0040
摘要:

对地攻击型无人机是当前最先进的无人装备之一,无人机必须具备很高的自主能力,自主能力成为无人机的典型作战能力。针对对地攻击型无人机的自主能力量化评价问题,从感知能力、决策能力、行为能力和安全能力4个方面,并侧重机载装备参数分析,提出了一套完整的自主能力评价指标体系。结合模型因素库,运用奇异值分解设计Hopfield神经网络权值矩阵,利用基于稀疏度的权值删减算法改进网络结构。构建自主能力评价标准,对对地攻击型无人机系统自主能力进行量化分级。仿真结果表明:相对于传统Hopfield神经网络,改进算法能够在一定范围内删除非关键的连接权值,降低网络复杂度,工程上更容易实现对地攻击型无人机系统自主能力的量化评价。

距离相关系数融合GPR模型的卫星异常检测方法
孙宇豪, 李国通, 张鸽
2021, 47(4): 844-852. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0041
摘要:

卫星在轨运行期间,遥测数据表现形式通常为多维时间序列。高斯过程回归(GPR)模型可以为重要的遥测参数提供动态门限,及时发现隐藏在工程阈值内的故障征兆,但是高维卫星数据使得GPR模型具有局限性。因此,为获取与多个遥测参数相关的动态门限,在GPR模型的基础上,融合距离相关系数对预测变量进行选择,减少信息冗余和计算量,提高模型的可解释性,并估计模型的泛化误差以设置更合理的预测区间,提高模型的泛化能力,检测数据流的持续异常。对实际在轨卫星数据进行仿真实验,验证了距离相关系数融合GPR模型的卫星异常检测方法可以在卫星故障早期检测到数据异常,而且提高了模型的预测性能,降低了虚警率。

飞机风扰响应特性的模拟与评定方法
徐王强, 王立新, 乐挺, 张喆
2021, 47(4): 853-862. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0804
摘要:

针对飞行试验研究飞机风扰响应特性时存在的安全性与经济性问题,提出了一种在平静大气中模拟及量化评定飞机风扰响应特性的方法。通过设计舵面输入指令来激励飞机,使其产生能够模拟受到风扰的运动响应,进而完成飞机风扰响应特性的评定。以某型飞机为算例,基于PID控制方法设计了激励指令信号,模拟了飞机遭遇垂直突风与侧风后的响应特性,并基于时域峰值法评定了飞机的稳定特性。采用低阶等效拟配的方法对基于风扰响应数据评定所得的稳定特性结果进行了对比验证,结果表明,所建立的模拟风扰响应的控制指令设计与稳定特性评定方法是正确合理的。研究方法与结果对于飞机风扰响应特性的飞行试验评定等具有一定的参考价值。

THAAD增程型拦截弹预测制导方法
张荣升, 陈万春
2021, 47(4): 863-874. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0619
摘要:

根据公开资料对THAAD增程型拦截弹建模,针对大射程的特点规划了高抛弹道,生成标准弹道族。提出了迭代预测命中点法,利用解析方法计算剩余飞行时间,基于多项式拟合法寻找标准弹道,确定预测命中点,完成预测制导任务。将迭代预测命中点法与迭代飞行时间法进行对比,迭代预测命中点法初值选取容易,程序运行时间减少20%,制导过程中无需调用标准弹道文件,节省了计算机存储空间。通过改变射程、航路捷径对预测制导方法进行仿真验证,结果表明,拦截弹拦截射程可覆盖到600 km,并且能完成存在航路捷径时的拦截任务,平均脱靶量在200 m以内,应对气动不确定性的效果良好。

胚胎电子细胞剩余码/berger码联合编码自检方法
王博, 孟亚峰
2021, 47(4): 875-884. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0622
摘要:

为了更好地实现胚胎电路的自检需求,针对地址产生模块和输入输出模块,基于基本逻辑和算术运算中操作数和结果数之间的剩余码和berger码关系,对胚胎电子细胞输入输出等价运算的构建进行了讨论分析。通过剩余码检测单个故障,berger码检测多位单向故障,设计了一种剩余码/berger码联合编码的胚胎电子细胞自检方法。给出了所提方法的流程和实现方法,分析了基于所提方法设计的胚胎电子细胞的故障检测率、自检模块自检率和硬件资源消耗。以时序逻辑电路为目标电路进行了仿真实验,验证了所提方法对胚胎电子细胞各模块的检测能力和对检测模块的自检能力。

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