空间碎片碰撞预警可视化仿真系统设计与实现

研究了一种空间碎片碰撞预警的快速算法,该算法综合利用远近距离筛选、地心距筛选,时间筛选和SGP4轨道预报等方法确定危险碎片.在此基础上,设计并实现了可视化的卫星与空间碎片碰撞预警仿真系统.实验表明,该系统对卫星的碰撞预警速度快,卫星与预警碎片可视化展现效果逼真.     

基于DE-DMPC的UAV编队重构防碰撞控制

当战场环境发生变化时,无人驾驶飞机(unmanned aerial vehicle, UAV)编队只有进行编队重构,才能保证编队的生存能力。在重构过程中碰撞问题严重威胁UAV安全应着重考虑。通过对UAV编队重构防碰撞问题进行分析,提出采用分布式模型预测控制(distributed model predictive control, DMPC)的方法,将编队重构问题转化为滚动在线优化问题。结合碰撞约束建立重构代价函数,针对代价函数求解复杂的问题,提出采用改进微分进化(differential evolution, DE)算法求解代价函数,并对算法的收敛性进行了分析。仿真实验表明,所提出的算法能够有效实现编队重构防碰撞控制,同时其代价更小、寻优能力更强。     

基于摄动的不稳定编队协同控制系统仿真

编队卫星构形精确保持是实现分布式卫星任务的关键技术。基于摄动对编队相对轨道构形的影响,针对卫星轨道半长轴有偏差的不稳定编队,设计了一种基于视线测量无主星编队的循环协同控制系统。编队中每一颗卫星跟踪自己轨道前方邻近卫星,产生一个视线测量矢量,编队的第一颗卫星追踪最后一颗卫星,产生循环编队,将编队卫星之间的视线距离作为反馈控制量来实现队形控制,文章给出了相对摄动力方程和控制系统的仿真算例,仿真结果表明,该循环协同控制系统能够实现队形控制的稳定性。     

航天器面内机动规避最优脉冲分析

针对航天器在轨危险交会,提出了航天器面内机动最优规避分析方法,基于面内机动约束,在保证碰撞概率降低到最小值或交会距离提高到最大值的前提下得到最优的机动脉冲。首先结合轨道高斯摄动方程和泰勒展开得到解析的轨道规避机动动力学模型,分析了机动脉冲与航天器相对运动的线性关系;然后通过航天器位置协方差信息及交会平面的相对位置信息得到航天器危险交会的碰撞概率和交会距离,并采用机动方向和机动大小分步求解的策略计算机动冲量;最后通过数值仿真对面内脉冲机动规避策略进行验证,仿真结果表明所设计的面内脉冲规避策略能够得到不同时机下的最优脉冲。     

一种空间飞行器编队重组的轨道优化方法

现有的空间飞行器编队重组的轨道规划方法在求解能量最优策略时,都预先给定了变轨花费的时间,但没有说明给定的时间是怎么选择的.将空间飞行器主从编队重组的轨道规划视为一个多目标优化问题,提出了一种小生境进化算法.该方法通过使用特定的染色体表示方法和进化算子,能有效的搜索到飞行器编队重组轨道规划问题的时间.能量前沿,并引入等值分享法保证优秀个体具有较大的选中概率和前沿的多样性.该方法能同时提供多种变轨方案,编队飞行的任务制定者从而可以根据实际应用情况选择最合适的方案.仿真结果表明了该方法的正确性.     

分布式小卫星SAR回波信号仿真

基于分布式卫星的空间构形及相对运动，在地心赤道坐标系内分析了卫星平台与地面目标之间的瞬时距离、相对速度及加速度变化规律，给出一种基于编队构形的分布式小卫星SAR目标回波信号产生的方法，并用距离-多普勒算法进行成像。这为进一步研究基于分布式卫星SAR的动目标检测性能提供了数据基础，有助于编队卫星SAR系统参数设计和选择。     

受约束在轨服务航天器近距离交会制导算法

提出了在轨服务航天器对于处于圆轨道目标航天器进行近距离逼近和分离算法。算法以C-W方程解析解为基础,是航天飞机与其它航天器交会接近阶段滑翔制导算法的改进形式。采用距离和速率成幂函数或分段线性函数关系,使算法能够实现任意指定转移时间的位置转移。为减少脉冲总数,又在考虑安全速度、制导精度等约束条件下获得了脉冲间最大滑翔时间。算法在逼近或接近目标时采用减速机制,在分离时采用加速机制,使航天器能够有效自主地完成空间中任意时间和方向的位置转移。仿真结果验证了算法是正确、可行的。     

基于轨道根数差的卫星编队自主定轨研究

设计一种应用于卫星编队的自主相对轨道确定方案。不同于目前广泛采用的Hill方程,采用轨道根数差的形式描述编队卫星间的相对运动规律,选择“无线电 激光”的组合测量方法,利用星间距离信息与方位信息作为观测量,设计扩展卡尔曼滤波器实现环绕星相对轨道的自主确定。仿真结果验证了这种导航方案的有效性。     

基于遗传算法的卫星攻击轨道优化方法

在空间攻防与卫星对抗中,当目标卫星周围有若干小卫星以编队形式对其绕飞时,为使拦截卫星成功击中目标卫星,并且避开编队小卫星的防御区,必须对拦截卫星攻击轨道进行规划。寻找到一条既能满足安全性、快速性,又能节省燃料的最优路径。而利用经典数学规划方法,如序列二次规划方法,虽能寻找到最优路径,但并不适应于解决空间对抗中复杂攻防环境模型下的轨道规划问题。为此本文提出基于遗传算法的拦截卫星攻击轨道寻优方法。建立目标卫星编队小卫星的动态防御模型作为环境模型,采用可变长度实数编码方式,根据攻击轨道安全性、快速性、燃料消耗最少等要求建立综合适应度函数,并对遗传算子及置换运算方法进行设计。通过仿真验证,本文提出的轨道优化方法能够寻求到最优攻击路径,并且算法收敛速度较快。     

基于加权双质心支持向量聚类的机群编队分组

针对机群编队分组问题,提出了一种加权双质心支持向量聚类算法。所提算法在支持向量训练时引入最大熵原理,快速求解Lagrange乘子;针对样本特征对聚类结果的贡献不同,在聚类标识过程中,引入加权密度质心,提出了加权双质心聚类标识,并在典型数据集上验证了所提算法的有效性。通过对机群编队分组模型的描述,建立了机群聚类时一个目标点需要的特征集,完成了编队分组的仿真实验。仿真结果表明了所提算法能够针对应用的具体样本集实行快速聚类分析,并保证聚类结果的有效性。     

高速动车组列车网络控制系统仿真与建模研究

研究了高速动车组列车网络控制系统的过程数据调度及事件仲裁算法。针对高速动车组网络控制系统的特点,提出了列车网络控制系统主节点和从节点的实现算法,并利用OPNET仿真软件建立了列车网络控制系统的模型。在不同的仿真场景下运行仿真模型,通过对仿真和理论计算得到了列车通信网络协议的数据通量和端对端延时特点。针对消息数据的事件仲裁机制,通过仿真得出了不同条件下的碰撞特性。仿真结果表明了所提出方案的有效性,为实际高速动车组网络控制系统的设计和调试提供了依据。     

一种防空导弹毁伤效果评估仿真方法

研究了一种配有激光近炸引信的防空导弹毁伤效果评估仿真方法。以仿真软件Vega为基础,实现了弹目交会的视景仿真;应用碰撞检测技术模拟激光近炸引信的目标探测。并利用包围体方法提高碰撞检测速度,解决了目标遗失问题;通过计算破片击中目标的数量和部位,实现了对导弹毁伤效果的量化评价。在此基础上,开发了"防空导弹毁伤效果评估"仿真软件,并在导弹引信设计中进行应用,验证了算法的有效性。     

虚拟维修中的虚拟人移动仿真

虚拟维修是近年来提出的一个新概念,并在维修性分析、维修训练等领域得到广泛的应用。为了解决维修过程仿真中的维修人员仿真问题,提出了一个分阶段的虚拟人移动仿真方法,采用随机运动规划方法生成虚拟人躯干及头部的无碰撞路径,利用运动捕获数据和运动变形来实现对四肢运动的仿真。在运动规划中引入了姿态转移图的概念,实现了虚拟人移动过程中多种姿势之间的自然转化。采用基于运动变形的方法消除了虚拟人上肢和环境中其他物体的碰撞现象,提高了仿真真实性。

Abstract：

Virtual maintenance is a new concept introduced in the last few years,and has been broadly used in maintainability analysis and maintenance training.In order to solve the virtual human simulation in maintenance process simulation,a multi-stage virtual human locomotion simulation method was proposed.The free collision path of virtual human torso and head was planned by a probabilistic motion planner.And the motion of arms and legs was simulated using motion captured data and motion warping.A new concept of pose transition graph was introduced in order to implement natural pose transition in locomotion simulation.In motion optimization,a method based on motion warping was proposed to avoid the possible collision between virtual human arms and other objects in the environment.     

基于MAS和航海模拟器技术构建船舶自动避碰仿真平台

船舶自动避碰是航海研究的热点之一,国内外专家学者提出了许多方法并开发了多种系统。然而,如何测试和验证这些方法和系统仍然是一个有待解决的问题。实船海上试验风险高费用大,同时灵活性差花费时间长;许多研究人员所采用的单机仿真试验则难以有效仿真复杂的海上航行情况。应用Multi-agent系统(MAS)理论和技术以及多本船航海模拟器,构建和开发了自动避碰仿真试验和测试平台。仿真试验表明该平台可以取得与实船海上试验相类似的效果,并且可以有效解决海上实船实验和单机仿真试验所带来的缺点和局限。     

舰载飞机着舰可视化仿真系统设计与开发

着舰是舰载机/航空母舰系统中极其重要的内容.为此,基于仿真技术和虚拟现实技术,提出一种舰载飞机着舰可视化仿真系统的设计方案.首先,采用C/S结构设计了舰裁机着舰可视化仿真系统,并对各个模块功能进行了详细的阐述.然后利用细节层次、纹理映射以及实例化技术对Creato创建的舰载机和航母的三维模型进行了优化.最后开发了基于MFC的Vega Prime视景驱动程序并介绍了碰撞检测A-法.完成后的着舰仿真系统可为自动着舰系统的设计、验证评估提供直观可视化的软件界面.     

武器快速飞行的碰撞解算

空战仿真中,由于仿真系统采用时间帧周期方法调控系统的解算,致使导弹等武器的飞行弹道呈离散函数变化,而导弹等武器的飞行相对于靶标(运动或静止)是一个快速运动,这样,武器与靶标的碰撞解算就会引出很多误差问题。针对这个问题,建立了武器与靶标碰撞的适应度模型,提出了用启发式搜索方法检测碰撞点的算法。     

基于碰撞危险度的无陷阱动态航路规划

由于人工势场法中障碍物的影响距离通常为一个固定值,不可避免地导致无谓避碰行为的出现,极大影响航路规划的效率。本文在动态环境下,针对无谓避碰行为,提出碰撞危险度评估模型和障碍物影响距离确定模型;针对障碍物在目标附近目标不可及问题(goals nonreachable with obstacles nearby,GNRON),提出能够区别评估障碍物的时间碰撞危险度模型;针对陷阱问题,提出虚拟障碍物法,以此构成基于碰撞危险度的无陷阱动态航路规划法。仿真结果表明该方法能够有效避免无谓避碰行为和陷阱问题的发生,且无GNRON问题,所得路径也较短且平滑。     

基于动态博弈的行人交通微观仿真模型

分析了行人交通的基本特征,并提出了基于动态博弈的行人交通微观仿真模型。通过行人的移动环境抽象、路径选择、速度选择、碰撞处理和空间占用冲突处理等五个步骤确定了模型的基本框架,并对每步作了较详细的分析。最后,通过仿真试验并与经验数据相比较,表明该模型具有合理性和有效性。与已有模型相比,该模型在提高运算精度的基础上解决了行人交通仿真中存在的同步决策等问题。     

双臂空间机器人的通用运动学路径规划算法

提出了一种基于通用运动学模型的双臂空间机器人在自由浮游状态下捕捉目标并避免碰撞障碍物的路径规划算法。过去的双臂空间机器人路径规划问题主要研究双臂的避碰问题 ,而忽略了机器人本体的避碰问题。实际上 ,当机械臂运动时 ,机器人本体也在相对运动 ,这个相对运动随机械臂质量与本体质量之比的增大而增大。利用通用运动学模型计算出双臂空间机器人的各点 (包括本体 )的速度 ,并在路径规划过程中根据机器人本体的速度计算出本体平动的距离 ,克服这个平动来避免与障碍物碰撞。最后 ,通过路径规划算法的计算机仿真结果证明了所提出路径规划算法的可行性