拦截弹制导的微分几何建模

相对于直接在笛卡尔坐标系内对质点运动进行分解而言,使用微分几何原理对质点的运动进行分析是一种较为巧妙的方法。本文基于古典微分几何原理,对拦截弹的制导进行了建模研究。首先,分析了弹目相对视线的运动规律,建立了视线旋转坐标系提出了视线曲率与挠率的概念,得到了视线运动方程.并将视线运动方程与弹目相对运动相结合,构造了新的弹目相对运动方程。其次,通过研究发现,在视线旋转坐标系内存在视线瞬时旋转平面,可以在该平面内构造具有三维拦截能力的二维制导律。空间真比例导引律（TPN）可以不加近似地直接引入视线瞬时旋转平面,成为降维TPN。同时通过研究在视线瞬时旋转平面内对目标机动加速度进行补偿的方法,可以得到新的修正比例导引律（APN）系列和视线角加速度制导律（AAG）系列。再次,提出了视线瞬时旋转平面内制导律的微分几何制导指令,与Chiou和Kuo所提出的微分几何制导律进行对比分析,可以发现该制导律是本文的一种特例,并且微分几何制导指令将降低视线瞬时旋转平面内制导律的性能。最后,以拦截大气层外高速机动目标为算例进行仿真分析,验证了拦截弹微分几何制导模型的有效性。     

月球软着陆飞行动力学和制导控制建模与仿真

着重对月球软着陆制动段、接近段和着陆段的飞行动力学模型进行了研究,同时基于动力学模型对各阶段制导律进行了优化设计.制动段飞行时间和距离较长,拟采用均匀球体模型,该模型也是软着陆全过程下降轨迹分析和动力学仿真的基础;制导律设计中考虑到该段燃料消耗很大,主要以燃料最优为设计指标.接近段距离月面较近,且经姿态调整后接近垂直下降,拟采用平面月球模型;制导律设计采用基于重力转弯技术的最优开关制导律.着陆段几乎垂直下降,动力学模型可在平面月球模型的基础上简化为一维垂直下降模型,制导律设计拟在垂直方向采用简单的程序制导方式.最后,在考虑测量、推力误差以及环境干扰等影响下对着陆精度进行了初步仿真分析,结果表明,给出的软着陆三阶段动力学模型和制导律是可行的.     

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．     

“群对群”协同对抗的规划与制导问题研究

随着未来空天飞行器的飞行速度和机动性不断增强,以及集群规模化攻击样式的发展,防御方传统的“一对一”对抗模式已经难以适用,采用多个飞行器形成集群,以“群对群”的协同方式进行对抗,将成为一种有效的技术途径.本文针对群体目标的对抗场景,探讨了“群对群”协同对抗的规划与制导问题.首先系统介绍了空天目标攻击样式和目标特性的发展,总结提炼研究的背景需求与典型场景;再针对典型场景提出了群对群协同对抗的初步方案,简述了国内外研究情况,并梳理了规划与制导的关键技术,包括编组构建与目标分配、集群目标建模与估计、集群协同围捕与制导、集群编队随动保持与控制等;然后结合部分关键技术的研究进展,对重点问题进行了数字仿真,初步验证其可行性;最后针对群对群协同对抗的规划与制导技术的应用前景与发展方向进行了展望.     

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.     

考虑有界干扰和输入饱和的航天器姿态抗退绕机动控制

本文研究了有界干扰和输入饱和约束下的航天器姿态机动控制问题.首先利用李雅普诺夫稳定性理论,设计了一种抗输入饱和的时变滑模控制算法来求解无干扰下的输入饱和控制问题.然后通过对时变滑模控制律和时不变滑模控制律进行切换,有效利用两者各自的抗饱和和抗干扰优势,使基于切换机制的控制律同时具有如下特点：1）满足输入饱和约束;2）对有界干扰具有鲁棒性.针对四元数双值性导致的系统退绕（unwinding）问题,通过对两种常见姿态偏差向量进行分析,并结合他们各自的优势,设计了一种姿态偏差向量.最后利用该姿态偏差向量改进了基于四元数的控制律,使得控制律还具有抗退绕的优点.多种情况的对比仿真结果显示本文所提出的算法是可行和有效的.     

Science China Technological Sciences 2022年65卷第6期中文摘要

<正><正>增材制造中考虑带有悬挂长度放松的悬挂角约束的结构拓扑优化张凯庆,程耿东,王雨本文研究面向增材制造的结构拓扑优化,考虑了带有悬挂长度放松的悬挂角约束及最小水平尺寸控制的最小柔度设计.虽然悬挂长度放松为增材制造产品的设计提供了更大的设计空间,但目前有关悬挂长度放松约束的研究还非常有限.首先阐明了我们过去提出的悬挂角约束可以识别违反悬挂角约束的下边界单元.利用这一事实,通过限制在设计域的每个局部区域中违反悬挂角约束的单元的体积分数小于规定的上限,我们实现了悬挂长度放松.随后,提出并验证了该方法所允许的最大悬挂长度的估算公式.此外,也采用了最小水平尺寸约束.在控制结构水平尺寸的同时,该约束和带有悬挂长度放松的悬挂角约束结合可以抑制悬挂特征.采用梯度类优化算法MMA(Method of Moving Asymptotic)求解拓扑优化列式.数值算例表明了该方法的有效性.从算例中可以看到,新约束缓解了传统悬挂角约束的主要问题,即灰色单元问题、应力集中问题和结构破碎问题.与严格的传统悬挂角约束相比,本文方法还降低了结构柔顺度.     

基于化学反应优化的多无人机地面移动目标协同观测航迹规划

随着无人机技术的飞跃式发展,利用无人机跟踪地面目标在军事和民用领域得到了广泛的应用.鉴于目标所在环境以及运动状态的不确定性,单一无人机已不能胜任日益复杂的应用环境,利用多无人机协同跟踪目标成为改善目标跟踪任务鲁棒性的一种有效手段.本文针对多无人机协同跟踪观测航路难以求解的特点,提出了一种基于进化算法的近似求解方法,以解决多无人机对被跟踪目标观测航路的时空优化问题.本文通过分析与机身以固定安装角连接的传感器在地面有效观测区域模型,提出了包括目标观测时间和航路安全在内的控制方案,并采用了一种基于化学反应优化(chemical reaction optimization,CRO)理论框架的启发式求解策略,规划无人机的最优协同观测航路.仿真的结果表明,本文所提出的方法能够实现多无人机协同跟踪地面移动目标的要求,在满足无人机性能约束和飞行安全的情况下,具有更长的对目标监测时间.     

基于特征模型的再入飞行器自适应制导律设计

文中针对航天飞机类再入飞行器对参考阻力加速度曲线的跟踪问题，设计了基于特征模型的自适应制导律．首先将线性定常系统的特征建模方法推广到单输入单输出线性时变系统，从而建立了再入飞行器的特征模型，然后对特征模型提出一种新的非线性微分黄金分割自适应控制律．当特征模型的系数属于有界闭凸集，且系数的变化速率满足一定约束条件时，文中证明了非线性微分黄金分割自适应控制系统是一致渐近稳定的．在特征模型的基础上，通过结合使用跟踪控制律、非线性微分黄金分割控制律和改进的逻辑积分控制律，设计了再入飞行器基于特征模型的自适应制导律．它克服了反馈线性化方法要求精确获得对象模型的缺点．仿真结果表明，文中设计的自适应制导律对参考阻力加速度曲线的跟踪性能明显优于反馈线性化方法．     

新航行体系下大型客机飞行管理系统关键技术研究与仿真验证

以新航行体系下大型民用飞机飞行管理系统基于轨迹的运行和基于性能的导航需求为焦点.系统研究了新航行体系下的飞行管理系统的体系架构、飞行管理系统所需要的更为精确的四维轨迹预测功能、飞行制导功能和综合导航功能.针对大型民用飞机飞行管理系统,研究、设计、开发了基于导航数据库、性能数据库和飞机总能量模型对飞行轨迹进行精确的四维轨迹预测算法;基于性能数据库设计了四维精确飞行制导律;基于组合多种导航传感器,实现自主完好性监控与告警,满足所需导航性能要求的综合导航功能等关键技术.构建了飞行管理系统的飞行驾驶舱验证平台,并采用实际的飞机模型和飞行计划进行了充分地仿真验证,证明了本文所研究的飞行管理系统架构和关键技术切实具有工程实现的可行性、合理性和可用性.     

工业大数据驱动的核电装备智能设计-制造-服务技术与应用

针对核电大数据集成管理缺乏适应性和应用价值有限的问题,提出了一种基于工业大数据分析架构的核电装备智能设计制造服务体系.首先,基于核电大数据的领域特性设计了核电装备全生命周期数据空间,通过业务系统数据与主数据两个层次,实现海量多源异构数据分布式存储,并提出模型驱动的核电大数据应用模式.在此基础上,基于数据空间提出了核电装备智能设计制造服务体系框架和关键技术,包括基于模型数据知识联合学习的智能协同设计、多阶段数据融合驱动的质量管控与精准追溯、高维动态边缘数据驱动的运行服务智能诊断预测等技术,为生产决策和运作管理提供依据,促进核电装备安全性、可靠性和经济性指标持续优化.最后通过核电装备典型业务场景来验证所提框架和技术的有效性,并取得了良好的应用效果,为未来核电大数据协同管理和智能应用提供参考.     

基于弹粘塑性一致切线算子概念的隐式边界元法

提出了一种基于弹粘塑性一致切线算子概念的非线性隐式边界元算法,考虑了各向同性硬化和运动硬化２种情况,发展了弹粘塑性径向返回计算模式和弹粘塑性一致切线算子及相应的算法;还讨论了弹粘塑性的极限情况（例如弹塑性问题）。最后在算例中比较了Ｉｂｒａｈｉｍｂｅｇｏｖｉｃ等的最新有限元研究结果和ＡＢＡＱＵＳ计算结果。     

带自锁功能的作动筒设计与仿真

针对某型导弹折叠翼,设计了一种带自锁和自解锁功能的作动筒。阐述了作动筒的工作原理,建立了弹翼展开角与作动筒工作力之间的关系,并借助动力学仿真软件ADAMS对整个系统进行了仿真分析。仿真结果表明,该种作动筒简化了折叠翼机构的设计工作,提高了系统可靠性,另外,在仿真分析中,将分离夹头作为柔性体考虑才能客观、准确地反映整个系统的运动。     

核反应堆液体区域控制系统全程隐蔽攻击方法研究

隐蔽攻击对核反应堆液体区域控制系统的安全运行构成了严重威胁.然而,隐蔽攻击的成功实施不仅需要掌握被攻击对象的精确模型,而且很难在攻击完成后无痕退出.为此,本文针对核反应堆液体区域控制系统提出了一种四阶段全程隐蔽攻击方法.首先,在攻击筹备阶段,通过最大似然估计离线设计最大似然形式下的双模H₂最优无偏FIR;之后,在状态估计阶段,利用该FIR对攻击开始时刻的系统状态进行估算;然后,在攻击实施阶段,结合预期攻击目的和系统当前状态设计攻击实施序列,并将其注入至系统信号传输通道中,实现隐蔽攻击;最后,在攻击退出阶段,根据系统状态偏移量构建约束优化问题以给出最优攻击退出序列从而实现攻击退出过程的静默化.此外,本文基于系统噪声强度和攻击模型精度,分情况对全程隐蔽攻击方法的可行性进行了仿真验证.实验结果表明,在上述影响因素单独或综合作用下,所提攻击方法都能够隐蔽地完成攻击目标并无痕退出.     

基于多活性代理的分布式入侵检测系统构建分析研究

针对应用了移动代理技术的分布式入侵检测系统在代理安全性和稳定性方面所存在的问题,本文在基于多活性代理复杂信息系统研究方法的指导下,提出了一种新的分布式入侵检测系统结构,即基于多活性代理的分布式入侵检测系统(DIDS-MLA).该系统将传统分布式入侵检测系统的两层结构扩展为三层结构,通过增加的一层结构对系统中各个检测代理活性状态值进行监测,使系统能够在多活性代理协商协调机理的指导下,根据代理活性状态值的变化来调整各代理的工作,从而达到保护系统中代理安全性以及维护系统检测稳定性的目的.在之前的研究工作中,我们仅仅对活性代理进行了定性分析,本文中则进一步提出了一种在分布式入侵检测环境下定量分析代理活性的方法,并在此基础上给出了系统中活性代理的实现思路.最后通过对系统工作流程以及对分布式拒绝服务攻击的检测效果进行分析之后,我们可以看出,本文所设计的DIDS-MLA系统在安全性和稳定性方面比传统分布式入侵检测系统(DIDS)以及基于移动代理的DIDS系统有明显改善,能够在强对抗环境下保证系统检测工作的正常运行.     

认知无线电系统中的多中继分布式波束成形方法

本文考虑认知无线电系统中一对认知源目的节点在一组认知中继节点协助下与一对授权发射机和接收机共存的场景,研究了多个单天线认知中继节点在授权接收机处平均干扰功率门限约束及自身独立的平均发射功率约束下,最大化认知目的节点处信干噪比(SINR)的分布式波束成形,从而开发"空谱空洞"的问题.提出了两种波束成形方案:1)最大化SINR的最优策略;2)基于迫零准则的次优策略.最优策略将分布式的波束成形系数求解问题通过半定松弛转化为准凸的优化问题,从而利用二分法及内点法求解;并证明了求得的最优半定松弛解即为原优化问题的最优解.次优策略直接迫零对授权接收机造成干扰,并将来自授权发射机的干扰信号抑制为零.该方法对应的优化问题没有迭代运算,且约束函数简单,算法复杂度低.最后通过数值仿真分析了中继数、认知节点最大的发射功率和授权接收机的干扰功率门限等因素对两类算法平均传输速率的影响,并且通过对比实验验证了考虑授权发射机干扰信号影响带来的性能增益.     

基于增益矩阵的二阶集群系统鲁棒分布式立体编队控制

本文研究解决了在三维空间内针对二阶集群系统的鲁棒分布式编队生成与保持控制问题,所设计的基于增益矩阵的控制方法仅需测量局部坐标系下智能体间的相对位置信息而不依赖于交互通信.首先设计了二阶集群系统的立体编队生成控制策略,通过构造李雅普诺夫函数证明了全局稳定性,并利用凸优化求解得出增益矩阵.所设计的生成控制律对扰动、输入饱和等具有较好的鲁棒性,同时在生成过程中引入了启发式的避碰算法.在此基础上,设计了带有期望距离的编队保持控制策略,使得集群系统能够保持固定大小的队形.然后,将所设计的控制律进行改进,拓展并应用于领航者-跟随者网络下的二阶集群系统立体编队控制.最后,通过相关的仿真实验验证了理论结果的正确性.     

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.     

特征模型理论及其在火星气动捕获制导中的应用

火星探测是近年来世界范围内深空探测领域的持续热点.低成本空间运输是太空探索和开发的重要因素之一,气动力辅助变轨可降低航天飞行器的设计成本.气动捕获是气动力辅助变轨的一种方式,指的是利用行星大气产生的气动力,降低轨道能量,实现由双曲线轨道向目标环绕轨道的转移.气动捕获任务仅有一次实现的机会,可靠性要求非常高,因此对于气动捕获制导和控制的精度和鲁棒性提出了很高的要求,需要采用智能自主的制导方法.基于特征模型的制导方法具有强适应性、鲁棒性和自主性,有广泛的应用前景.本文对特征模型理论及其在火星气动捕获制导中应用的研究现状和进展进行了综述,并提出了有待解决的问题,为进一步开展相关研究提供了基础.     

约束切换非线性系统给出初始稳定区域的预测控制设计

有约束切换非线性系统的稳定控制是一个重要的研究问题．通常的预测控制方法可以很好的处理约束问题并使得系统稳定,但一般首先假设其中的优化问题初始可行,而对于初始稳定区域并没有具体的描述．本文针对一类输入变量受约束且状态不可测的非线性切换系统,提出了一种混合非线性预测控制方案．其主要思想是：利用李亚普诺夫函数和状态观测器,设计在预测控制器和有界反馈控制器之间适当切换的混杂控制器,以得到初始稳定区域的描述并使得子系统闭环稳定;对整个切换系统,基于状态估计,设计在各组件间平稳切换的切换律,以保证整个闭环系统的渐近稳定性．最后通过对一个化工过程实例进行仿真,验证了本文所提控制器的有效性．