多飞艇协同对地观测和数据传输调度模型与算法研究

浮空器已经发展成为空间遥感信息获取的重要平台之一.本文针对飞艇的资源特性和需求的复杂性,设计了多飞艇协同对地观测和数据传输工作体系.综合考虑多飞艇协同对地观测和数据传输任务的协调优化,将观测任务和数据传输任务视为有向图中顶点,用飞艇在执行先后序列任务的地理位置间的巡航时间来度量有向图中顶点间的距离,将问题转换为带时间窗口的多车场开放式车辆路径问题(multi depot open vehicle routing problem with time windows,MDOVRPTW),并以最大化总收益作为优化目标,构建多飞艇协同对地观测和数据传输任务调度的混合整数规划模型.提出一种文化基因算法(memetic algorithm,MA),嵌套广义阈值算法(generalized threshold algorithm,GTA)计算染色体中各飞艇总巡航时间最短的任务序列,实现对地观测和数据传输资源的优化分配.研究发现,针对不同规模的算例,并与CPLEX计算结果比较,算法能够在较短的时间内获得满意的解.     

The quasi-biennial and semi-annual oscillation features of tropical O3, NO2, and NO3 revealed by GOMOS satellite observations for 2002–2008

The quasi-biennial oscillation (QBO) and semi-annual oscillation (SAO) characteristics of O₃, NO₂, and NO₃ from 2002 to 2008 were analyzed using Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) satellite observations. From investigations of the vertical and latitudinal structures of interannual anomalies for O3 and the vertical velocity of the residual circulation (w-star), we conclude that dynamic transport is the principal factor controlling the QBO pattern of O₃. Under the influence of vertical transport, the QBO signals of O₃ originate in the middle stratosphere and propagate downward along with the w-star anomalies over the equator. The residual circulation has a significant role in tropical regions, regardless of altitude, while in extratropical regions, dynamic effects are important in some years in the lower stratosphere. In the middle stratosphere, dynamic transport is most efficient in the Southern Hemisphere. We also analyzed NO₂ anomalies and found that their QBO pattern was deep and stationary in the middle and upper stratosphere over the equator. This was due to the large depth over which w-star was anomalous. The latitudinal structure of NO₂ was asymmetric in extratropical areas in the middle stratosphere, but in the upper layers, the QBO pattern and dynamic influences were only observed in tropical zones. The interannual anomalies of NO₃ had an apparent SAO pattern in the tropical upper stratosphere because of different dynamic and chemical effects in different SAO phases. Chemical reactions may also have contributed to the QBO-type distribution of NO₂ and the SAO-type distribution of NO₃.     

平流层飞艇高度方向稳态运动建模与特性分析

平流层飞艇高度方向稳态运动的特性和规律是飞艇运行高度预测和控制、内环境控制和系统设计等研究工作的重要基础之一,为全面阐明该特性与规律,建立了平流层飞艇在高度方向上的运动数学模型,计算得到了在高度方向稳态运动条件下艇内温度、压力与飞艇运行高度之间的关系,并对平流层飞艇在高度方向运动的稳态特性进行了详细分析。最后,分析结论提出了实现平流层飞艇在高度方向稳定安全运行需要满足的技术要求。     

低空无人飞艇运动配平和控制器设计研究

建立了某低空无人飞艇六自由度非线性动力学模型.以稳态直线前飞为例,考虑执行器饱和约束下的配平,分析了运动所需满足的条件以及力和力矩平衡,采用数值迭代法求解不同前飞速度下的平衡点,并分别给出了静态重量不同和重心位置不同时的配平比较结果;用PID及其改进算法设计了控制律,实现了前飞和偏航运动,并验证了所设计控制器具有较好的扰动抑制能力.     

飞艇三维航迹控制研究

研究了在系统存在不确定性或外界干扰的情况下飞艇的三维航迹控制问题.根据飞艇空间运动数学模型的特点,基于滑模变结构控制关于不确定因素的不变性,采用不确定仿射非线性系统在满足匹配条件下输出解耦变结构的控制方法,设计了飞艇的三维航迹控制律.仿真结果表明,在系统存在不确定性或外界干扰的情况下,仍可使飞艇按照规划的航迹飞行.     

充气囊体材料撕裂及破裂后流场特性研究

通过实验的方法对囊体材料的撕裂特性和加强筋的止裂效果进行了初步的研究,并以飞艇为例利用数值模拟研究了囊体材料局部破裂后,破口处气体外泄的非定常流场结构及其演变过程.结果表明:囊体破裂后,裂纹快速扩展,通过合理地设计加强筋的强度和布局,并保证加强筋与囊体材料粘结牢固,可以起到良好的止裂效果;破口形成后,由于飞艇内外稀疏波和压缩波的作用,流场处于强烈的非定常状态,气体外泄的速度远小于裂纹的扩展速度,飞艇泻压所需时间和破口的尺寸有很大的关系,稀疏波在飞艇内的传播情况直接影响了泻压后内部压力的分布,稀疏波反射次数越多,压力分布越均匀.     

轻于空气的飞艇纵向运动的分析及仿真

介绍了我国自主研制的轻于空气的飞艇，给出了其线性化的纵向运动状态方程。在此基础上，对该飞艇的纵向扰动运动进行了稳定性和能控性分析，指出其是不稳定的，但完全能控。将飞艇的纵向扰动运动分成3个特征模态，以便于清晰地分析其运动特性。     

临近空间科学技术的发展现状及应用前景

 介绍了临近空间的特殊空间位置以及典型气象特征,梳理了国内外通过天基、地基、原位平台对临近空间进行科学探索和研究的情况,针对目前对临近空间认知不足的现状,提出应该以临近空间飞行器为主要平台对临近空间进行科学探索及应用;回顾了国内外临近空间飞行器（包括高空气球、平流层飞艇和高空太阳能长航时无人机）的技术发展及其在军用和民用市场中的应用现状,总结了亟需关注的关键问题,并提出了中国临近空间科技发展和应用的具体建议。     

飞艇蒙皮振动对流场特性的影响

通过求解二维雷诺平均Navier-Stokes方程,采用SST两方程湍流模型对飞艇二维绕流流场进行数值模拟,重点分析飞艇蒙皮振动对流场的影响。为便于流场对比,在飞艇蒙皮的上表面给定一种沿流向传播的振动波型,通过调整振动的振幅、频率和波长,分析3种振动参数对流动分离和阻力的影响。研究结果表明:沿流向的蒙皮振动会使飞艇绕流流场产生显著变化。在一定振幅和频率条件下,随着波长的减小,流动分离加剧,阻力系数增加;在固定波长和频率条件下,随着振幅的增加,流动分离加剧,阻力系数增加;而在固定振幅和波长条件下,随着频率的增加,非定常效应增强,流动分离减弱,阻力系数减小;此外还发现,选取一定的振动形式和合适的参数可能起到抑制流动分离,从而减小阻力的作用,为高空飞艇减阻提供了一种技术途径。