基于虚拟领弹-从弹的集群分布式协同制导技术研究

本文讨论了多导弹集群分布式协同制导的问题并设计了一种基于虚拟领弹-从弹架构的制导律用于满足攻击时间约束的要求.该分布式协同制导律是一种由基础制导指令和攻击时间误差反馈项组成的复合制导律.对于仅考虑终端攻击时间约束的场景,基础制导律为传统的纯比例导引;若同时考虑终端落角和攻击时间约束,基础制导律为基于剩余飞行时间加权的最优落角约束制导律.通过理论分析,本文证明了所设计的分布式协同制导律能够使得所有导弹的攻击时间误差在目标命中时刻严格收敛于零.对于不考虑/考虑终端角度的场景进行仿真,验证了所提出制导律的有效性.     

无人机群协同跟踪地面多目标导引方法研究

多机协同目标跟踪是无人机系统的典型任务之一.由于军事任务的集群性,在实际中常需要跟踪多个不同的目标.如何使用尽量少的无人机对多个目标实施有效跟踪,以提高系统鲁棒性和定位精度,是一个重要的研究课题.本文针对复杂环境下无人机群协同跟踪地面多目标过程中的关键问题进行研究,设计了复杂环境下无人机群协同跟踪多目标系统架构,提出了考虑遮蔽区域机群跟踪多目标动态分组算法、自适应多模型无迹卡尔曼粒子滤波融合算法和障碍条件下机群协同目标跟踪运动快速导引方法.通过仿真试验和飞行试验,验证了本文方法的有效性.最后,对该领域的下一步研究方向进行了展望.     

辫群上的共轭链接问题及基于辫群的数字签名方案的新设计

量子计算的发展给经典公钥密码系统的安全性构成了严重威胁,因此探索新的公钥密码平台、设计新的可抵抗量子攻击的密码方案成为信息安全理论的前沿课题.辫群密码系统是具有抵抗量子攻击潜力的密码系统之一.本文分析了基于辫群的密码学的研究现状,提出了辫群上的新密码学难题——共轭链接问题.基于此问题,本文构造了一种新的基于辫群的数字签名方案.该方案不仅高效,而且在随机预言模型下具有可证明安全性.本文亦将基于辫群的签名方案与基于RSA的签名方案做了对比.结果表明:基于辫群的签名方案的签名效率要远远高于基于RSA的方案,但是签名的验证过程较慢,因此适合于那些签名需要迅速完成而验证可以相对延迟的应用场景(如离线电子货币系统).此外,基于辫群的密码系统的密钥长度较大——私钥约2K比特位,公钥约12K比特位.相对于模指数等运算而言,辫群运算非常简单,因此可以考虑在那些计算能力相对较低而存储空间不太紧的设备上使用.最后,本文也从隐藏子群问题的角度对辫群密码系统抵抗现有量子攻击的能力进行了讨论.     

基于策略多样性熵指标的无人机群智系统激发-汇聚程度度量方法研究

新一代无人机群系统的重要特征是具有群体智能,是一类典型的群智激发汇聚系统.目前,多智能体强化学习技术展现出较强优势,是构建新一代自主智能无人机群系统的重要方法.但多智能体强化学习的训练过程尚处于“黑盒”状态,缺乏对群体智能的激发和汇聚程度的有效度量手段.针对这一问题,从多智能体强化学习中智能体的策略出发,以策略多样性度量无人机群在多智能体强化学习的训练过程中的激发-汇聚程度.为了对策略的多样性进行度量,借鉴物种多样性和信息论中的相关概念,明确了策略多样性的内涵包括丰富和均匀程度两方面,提出了“策略距离二次熵”和“动作分布信息熵”这两种策略多样性的计算方法.设计了无人机群突防场景对本文所提出的策略多样性指标和两种计算方法的有效性和有用性进行了验证,并通过敏感程度分析对两种计算方法进行了对比.实验结果表明这两种计算方法在该场景中均能有效区分策略多样性的变化,且两种计算方法间具有一致性,从而验证了策略多样性指标及其计算方法的有效性.在有用性方面,验证了策略多样性与奖赏之间的关联关系,以及环境的动态改变与策略多样性之间的相互影响和关联关系,体现了策略多样性在认知群智系统,指导群智激发汇聚过程上...     

内对抗指导无监督多域适配网络的轴承协同故障诊断

现有的轴承无监督跨域智能故障诊断研究多数是基于单源域自适应开展的,这将导致实际场景中多个拥有充足且多样化诊断信息的源域未能得到协同利用.如何更好地从多个源域中提取到故障轴承的共性特征并融合多源域知识协同诊断是主要挑战.针对上述问题,本文提出了一种内对抗指导的无监督多域适配网络;构造了一个内对抗模块以计算多源域对抗损失,并联合多组源域-目标域自适应子网指导提取多源域和目标域间的共性特征,增强知识覆盖能力;设计了一个多子网协同决策模块,利用多组源域-目标域的对抗损失和分布差异损失计算置信分数,以辅助多子网分类器做出更佳的融合决策,提升协同故障诊断的准确率.基于恒转速和变转速工况的轴承故障数据构造了多个无监督多源域迁移诊断任务,对比实验结果表明所提方法的优越性和鲁棒性.     

航空集群构型控制及其演化方法

基于交感网络的适应性能力涌现是航空集群的基本特征,其构型控制与演化是产生适应性能力涌现的关键.根据航空集群构型演化与控制的基本原则和需求,将航空集群构型控制组织结构分为任务层、决策层、执行层,提出基于事件触发-规则驱动的构型演化机制;针对航空集群以实现面向任务的适应性能力涌现为目标的构型设计准则,提出将复杂任务按照能力需求分解为原子任务;以航空集群协同反隐身、无源定位、空战攻击为例,分析航空集群典型能力-构型的映射关系,结果表明,不同的构型将涌现出不同类型和层次的能力;基于多智能体系统一致性理论设计了航空集群构型生成与保持控制协议.最后,通过仿真和搭建航空集群作战演示验证系统,对所提出的理论结果进行了验证.     

垂直起降飞行器的自适应集群编队飞行控制

本文针对垂直起降飞行器集群编队飞行控制问题开展研究.集群中的飞行器具有异构性质,即它们具有不同的惯性参数,并且每个飞行器对其自身的惯性参数也并未确切已知.另外,飞行器间的信息交互是局部的,每个飞行器仅与其邻近飞行器进行信息交互.为解决上述问题,本文基于级联架构,设计了一种自适应分布式控制算法.首先,在位置回路中设计一个分布式指令控制力,实现集群编队目标;接着,从设计出的指令控制力中提取出控制推力和指令姿态;最后,在姿态回路中设计一个控制力矩,实现姿态对指令姿态的跟踪.此外,在指令控制力和控制力矩设计过程中,提出合适的自适应算法对飞行器惯性参数进行估计.通过使用李雅普诺夫理论分析可知,所提出的自适应分布式控制算法确保了垂直起降飞行器渐进稳定的集群编队飞行.仿真结果进一步验证了所提算法的有效性.     

软硬件混成系统与协同设计介绍

软硬件混成系统或嵌入式系统是用信息化带动工业化的关键技术,在各领域有着巨大应用需求。传统的计算机系统软、硬件各自开发的模式使得目标系统的资源优化不够,可靠性、安全性和实时性难以保障,开发周期和成本也受到很大的影响。在何积丰与Hoare C．A,R的统一程序设计理论基础上提出的软硬件混成系统与软硬件协同设计技术,针对上述问题给出了良好的解决途径。本文在回顾他们的关键工作后,描述了软硬件协同设计的关键技术和主要内容。接着介绍具有自主知识产权的“海神”软硬件协同设计平台：在获得用户需求规范后,设计开发者只需根据需求规范用高级语言实现需求阶段所提出的功能,分解器会将其自动分解为软件子系统和硬件子系统的描写并综合。从而提供了一种开发嵌入式系统的良好工具。     

群归—复子波包处理

推广Lawton的方法构造FIR的复数子波包变换滤波器组及相应的子波包函数,并按照不同的时间 频率特性选择适用的基函数.针对传统子波和子波包分解系数难以准确反映该时频单元信号分量强度的缺点,给出改进的自适应子波包变换技术——群归一子波包变换,并利用时频掩模滤波技术,完成强背景下目标信息的获取与分离,明显改善信杂比.由于该类复子波包变换滤波器是线性相位的酉正交滤波器,分解系数去相关能力更好,处理效果更强.推广的l~p-范数熵定义增加了群归一子波包变换在低信杂比情况下的处理能力.类似的结果可应用于强散射点分离、图象增强、杂波抑制、最优检测以及雷达成象等信号处理领域.     

高超声速飞行器准平衡滑翔自适应制导方法

针对高超声速飞行器同时满足终端约束及过程约束的再入滑翔制导问题,提出了一种全新的准平衡滑翔自适应制导方法．该方法充分利用升力式再入飞行中的准平衡滑翔现象,并以准平衡滑翔条件（QEGC）为核心,一方面,利用QEGC的特定弹道形式实现对终端速度及射程的精确解析预测;另一方面,借助QEGC将传统预测类制导方法难以处理的飞行过程约束转化为攻角约束．该算法不依赖于标准轨迹,实现了制导指令倾侧角及攻角均采用解析公式实时解算,使制导方法具备了自适应能力．CAV-H飞行器制导实例仿真表明,该制导方法能够导引飞行器平衡滑翔飞行,满足终端约束和过程约束,并且对任务临时改变具有自适应性．该制导方法的鲁棒性通过Monte Carlo仿真得到验证．     

考虑未知输入的异构集群系统群体智能合围跟踪控制

集群系统合围跟踪控制是群体智能涌现在运动控制层面的实现途径之一,在智能化战争时代具有广阔的应用前景.本文面向未来空地群体智能作战中护卫任务的应用需求,聚焦军品押送、重要人物护送等典型任务场景,研究了异构集群系统考虑领导者具有未知输入的分布式编队-合围跟踪控制问题,以实现复杂环境下空地协同智能作战.首先引入代数图论知识,建立具有未知输入的异构集群系统模型,提出了一种编队构型生成系统.之后结合自适应控制律,利用邻居局部信息交互设计了基于边的分布式编队-合围跟踪控制器,并证明了闭环系统的稳定性.此外,对异构集群系统涌现出的更复杂的群体智能特征进行了分析与总结.最后,通过数值仿真验证了本文所提出的方法能够实现预期的编队-合围跟踪控制,并建立了实物等效验证系统,对控制方法的有效性进行了验证,为实际情况下大规模空地协同智能作战提供了有力的理论支撑.     

飞行器轨迹优化数值算法综述

作为计算飞行力学的重要组成部分之一,飞行器轨迹优化数值算法一直是飞行力学工作者研究的热点与难点,较全面地对各种方法进行综合研究的文献非常有限且近期未见公开发表.通过对百余篇的相关文献的研究,从计算飞行力学的应用角度出发,并结合近年来轨迹优化领域的研究进展,系统归纳分析了目前用于飞行器轨迹优化的数值算法.简单综述了常用轨迹优化方法的基本原理、特点及应用,介绍了近几年来出现的一些新方法,新理论;最后重点对众多飞行器协同轨迹优化与高超声速飞行器轨迹优化进行了综述.在本文的结论部分,提出了对飞行器轨迹优化数值算法的研究方向,即众多飞行器协同、多目标、全局、实时在线、高精度、能够考虑各种未知的随机干扰的轨迹优化     

神舟飞船交会对接自动控制系统设计

2011年11月、2012年6月、2013年6月相继发射的神舟八号、神舟九号、神舟十号无人和载人飞船分别与天宫一号目标飞行器成功地进行了4次自动交会对接.本文首先简要介绍了神舟飞船交会对接自动控制系统的组成和飞行阶段划分,重点对自动交会对接制导、导航和控制的设计方案和算法进行了介绍,对决定交会对接任务成败的导航精度、制导精度和控制精度进行了分析,并给出了在轨飞行验证结果.     

梯级水电站群长期发电优化调度多核并行随机动态规划方法

随机动态规划求解水电站群长期发电优化调度易产生"维数灾"问题,导致计算耗时急剧增加,求解效率降低.如何缓解维数灾和提高计算效率,一直是水库优化调度致力于研究的难点问题.在随机动态规划的并行性分析基础上,提出了基于Fork/Join并行框架的多核并行随机动态规划方法.该方法将单个时段内所有变量组合状态下的计算任务作为父任务,通过分治法递归分解为多个子任务,并平均分配到不同的内核同时计算实现细粒度并行求解.以澜沧江下游梯级水电站群为研究实例,建立了3个变量离散数不同的调度方案,并在多核环境下验证该方法的计算效率.结果表明,在2和4核环境下,该方法的计算耗时与串行方法相比,分别节省了约50%和70%,大幅度缩减计算耗时,可充分利用多核资源;同时,计算任务的规模越大,并行计算的耗时缩减幅度越大.因此,此方法为大规模水电系统优化调度提供了一种可行途径,其并行原理可为其他应用所借鉴.     

遥感图像配准中的群智汇聚方法

遥感图像配准是遥感图像处理的一个重要的环节,在智能化遥感信息处理领域具有重要的研究意义和应用价值.本文主要对群智能在遥感图像配准中的应用进行了综述,并对进化算法和深度学习在遥感图像中的应用进行了介绍.首先介绍了遥感图像配准中常用的原理和优点.然后,对群智能算法在遥感图像配准中的应用进行了详细的介绍和总结,紧接着对进化算法在遥感图像配准中的应用进行详细介绍,其次对深度学习在遥感图像配准中的应用进行归纳,并且就遥感图像配准目前存在的难点以及深度学习在解决这些难点时所存在的优势进行了详细的讨论.最后,针对遥感图像配准中存在的关键问题进行了讨论与展望.     

高精度再入返回轨道控制技术

2014年11月1日,月地高速再入返回飞行器准确着陆在预定着陆区,标志着探月工程三期月地高速再入返回任务取得了圆满成功.其中飞行器服务舱的制导,导航与控制系统以高精度的再入角和准确的返回再入速度将返回器送入返回走廊,是整个飞行任务的关键环节.本文介绍了为实现以11 km/s速度再入返回地球,解决对地球再入角和返回速度的准确度要求高的难题,飞行器服务舱的制导,导航与控制系统所采用的轮控姿态管理,喷气管理和高精度加速度计闭环轨控的组合技术.在轨实施取得了轨道控制精度小于0.009 m/s,再入角控制精度小于0.024°的控制结果,达到了再入返回轨道控制的高水平.     

升阻比对可重复使用运载器爬升特性影响

针对地面助推水平发射的两级入轨空天飞行器,以一级可重复使用运载器气动特性和爬升弹道特性耦合研究为目标,基于二维三自由度弹道方程,通过计算较系统地分析了运载器升阻比对其分离点速度、高度、弹道倾角、动压、最大过载等一系列参数的影响,并与垂直爬升弹道进行了比较.计算结果表明升力爬升弹道较垂直爬升弹道可获得更高的分离点速度,且在小推重比条件下差别尤为明显.同时,通过提高升阻比,可有效提升分离点高度、减小分离点动压以及全弹道最大过载等,并可大幅拓宽分离点弹道倾角的调节范围.最后对地面助推水平发射方式及对应最佳弹道方案进行了讨论,并提出了气动布局设计的关键需求.     

基于群体熵度量的无人机集群目标合围控制

针对受限环境中无人机集群的目标合围控制问题,提出了一种基于局部度量距离交互的分布式集群目标合围控制方法.首先,基于局部度量距离交互机制确定了每架无人机的时变邻域无人机集合,采用光滑成对交互势函数设计了集群内部无人机间的交互势函数、无人机与飞行环境中障碍间的交互势函数以及无人机与目标无人机间的交互势函数.在此基础上,基于自组织原则提出了分布式的无人机集群目标合围控制律,使无人机集群能够以指定环绕半径形成以目标无人机为中心的稳定α-晶格合围构型,对目标无人机进行合围和跟踪,同时使无人机避开飞行环境中的障碍,保障自身飞行安全.然后借助Lyapunov稳定性理论证明了集群系统的稳定性,并给出了集群系统内部无人机发生碰撞的条件以及合围构型参数的取值依据.此外,基于群体熵的概念尝试对无人机集群目标合围过程中的自组织水平进行度量.最后通过仿真来验证所提出算法的有效性.     

天宫二号机械手关键技术及在轨试验

空间机械臂可以降低宇航员舱外活动风险,提高空间探索效率,具有广泛的应用前景.近年来随着机器人技术的发展,空间机械臂逐渐成为空间技术领域的热点研究方向.天宫二号空间实验室任务中的人机协同在轨维修科学试验是天宫二号三大关键试验任务之一,其核心是天宫二号机械臂系统.这是一套集成了多种传感器、具备多种控制模式的舱内空间机器人系统,包括6自由度机械臂、五指仿人灵巧手、手眼相机和全局相机、在轨人机接口(空间鼠标和数据手套)等模块,其设计目标是:在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证任务;对空间机器人关键技术以及在轨人机协同关键技术进行验证和评价;为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累经验和数据.针对人机协同中的安全性问题,采用基于可变步长的轨迹规划方法,使机械臂在与周围环境发生接触时能够局部智能地调整其运动轨迹,达到减小或者消除碰撞力的目的;针对五指灵巧手的抓握控制问题,提出了基于目标物体笛卡尔刚度的协调抓握控制方法,以适应外力的变化达到稳定抓握的目的;针对数据手套与灵巧手之间的位姿映射问题,采用基于指尖位置的人手与五指灵巧手运动映射方法以达到精确位姿映射.天宫二号机械臂系统于2016年9月15日随天空二号空间实验室发射入轨.在10月27日到11月13日期间,宇航员与机械臂系统协同开展了动力学参数辨识、抓漂浮物体、与航天员握手、在轨维修等试验,成功完成了所有预定任务,为今后空间机器人的应用奠定了基础.     

基于分组一致性的刚体集群姿态协同控制

姿态协同控制是刚体集群相关应用的重要问题,而控制集群内刚体保持不同姿态的研究仍然较少.针对这一问题,引入了分组一致性理论,提出了基于分组一致性的刚体集群姿态协同控制.采用修正型罗德里格斯参数(modified Rodrigues parameters)描述刚体集群的姿态,并将集群中的刚体分为两个分组.对于刚体集群的无向通信拓扑结构,在入度平衡假设的基础上,运用Ostrowski圆盘定理,给出了集群包含两个分组的情况下Laplacian矩阵特征值的分布,为稳定性分析提供了确切的依据.设计了分布式的控制器,采用Lyapunov稳定性理论,理论上证明了该控制器的有效性,并通过计算机仿真对本文所提控制方法进行了验证.