平面桁架结构拓扑优化方法研究

利用满应力设计准则法(FSD)对桁架结构截面优化的优势,将其引入基于形状语法规则的结构拓扑模拟退火优化算法(STSA)的随机搜索过程,探索两者的结合方式,形成了基于力学原理的优化算法和随机搜索数学优化方法相结合的杂交算法.受应力和欧拉屈曲约束的平面桁架结构拓扑优化算例表明:根据形状语法规则(尺寸、形状和拓扑规则)的"最有效规则选择"原理,当迭代步内所统计的尺寸规则最有效则结构趋于稳定,此时可引入FSD使结构趋于满应力状态,从而使数学随机搜索得到的结构更加符合力学受力原理,所形成的杂交算法使STSA的寻优搜索过程更为稳定,并改善了STSA搜索效率和最优解.     

基于混合优化的运载器大气层内闭环制导方法

针对运载器大气层内最优闭环制导问题,研究了一种将求解最优控制问题的间接法与直接法相结合求解最优上升轨迹的轨迹在线规划与闭环制导方法。该方法采用高斯伪谱法求解基于间接法推导的最优上升轨迹两点边值问题,能以较少的离散节点获得较高的求解精度,并具有较高的求解效率。为了进一步保证制导的实时性与飞行安全要求,提出了轨迹在线规划与闭环制导策略。最优上升轨迹求解结果表明,在同等的求解精度条件下,混合优化算法的离散节点个数仅为间接法的25%~40%,计算效率提高了50倍左右。建立导航模型进行闭环制导蒙特卡洛打靶仿真,制导算法满足实时性与过程约束要求,关机点高度、速度、弹道倾角及轨道倾角的最大偏差分别为-8.93 m、-3.35 m/s、0.015°、0.0018°,算法具有较高的制导精度。     

硬件可实现的GNSS/INS矢量深组合跟踪环路（英文）

GNSS矢量跟踪环路(VTL)跟踪灵敏度和定位精度优于标量跟踪环路(STL),但实现复杂度高,三个主要难点是:多通道联合跟踪要求各通道同时获取观测量并在同一时刻更新环路参数;高频率计算卫星位置加重处理器运算负担;无法跟踪载波相位导致无法解调导航电文。以上三个难点阻碍VTL在硬件平台上实现,因此商业接收机通常使用容易硬件实现的STL,但性能次优。为了在嵌入式硬件平台上实现VTL,引入三种方法:异步观测量线性插值、卫星位置计算算法优化、特殊的导航电文解调方法,之后通过仿真验证优化算法的功能及性能。使用航迹发生器生成飞机协调转弯航迹,再使用GNSS卫星信号模拟器产生中频采样信号,基于Matlab平台处理数据并进行了对比分析。仿真结果表明该VTL计算卫星位置效率提升55倍,成功解调导航电文,VTL位置精度优于3 m,速度精度优于0.3 m/s,基于该VTL的矢量深组合(VDI)算法位置精度优于2 m,速度精度优于0.1 m/s。     

卫星编队构型设计与轨道机动算法优化

卫星编队与轨道机动是完成在轨监视与捕获等空间任务的关键技术。针对追踪航天器在相对目标航天器的绕飞过程中特殊构型的编队飞行问题,提出了三种特殊的编队构型机动方案;针对近距离轨道逼近问题,分析了同平面轨道变轨策略和轨道转移能耗最优化问题,在此基础上给出了三脉冲升降轨机动方法,并可以根据需要将其扩展为N脉冲机动。以目标星运行轨道高度780 km为例进行仿真分析,结果表明平行四边形编队中追踪星在各交点处完成变轨所需的速度脉冲向量分别为0.1172m/s、0.1843 m/s,而花形编队和菱形编队中追踪星在各交点处完成变轨所需的速度脉冲向量均为0.1978m/s,从而验证了所提出方法的有效性。     

高超声速飞行器助推段弹道快速计算方法

为提高机动发射高超声速飞行器助推段弹道计算速度和精度,提出一种联合BP神经网络和Levenberg-Marquardt(L-M)算法实现弹道精确快速计算的方法。首先综合考虑各项约束条件设计了助推段飞行程序和弹道优化模型;其次采用BP神经网络方法推导了发射点及终端入轨点状态量与弹道参数的映射关系;最后建立了基于BP神经网络和L-M算法的联合数值寻优计算模型,并采用联合算法对高超声速飞行器助推段弹道进行优化计算。仿真结果表明,基于BP神经网络和L-M方法的联合算法能够快速和高精度地完成机动条件下的高超声速飞行器助推段弹道计算,其终端高度、速度和弹道倾角的入轨精度可分别达到2 m、0.1 m/s、0.01°,并且弹道计算耗时在3 s以内。     

高速飞行环境下卫星导航信息滞后补偿方法

为了解决高速飞行环境下卫星导航信息滞后严重影响导航精度和性能的问题,研究了一种基于曲线拟合技术的滞后补偿方法.针对高速飞行环境下导航参数的变化情况,分别采用抛物线和三次抛物线来拟合卫星导航系统的输出信息,推导获得抛物线和三次抛物线的各项系数,进而研究获得卫星导航信息滞后的补偿算法.仿真结果表明,尽管卫星导航输出的滞后时间长达0.8 s,采用该滞后补偿方法可以使捷联惯导/卫星组合导航的水平位置精度达到±0.6”,高度精度达到±18.9 m,速度精度达到士0.15m/s.因此该方法能够有效补偿卫星导航系统的输出滞后,具有良好的工程应用前景.     

基于强化学习的冲压发动机飞行器爬升段轨迹优化控制

冲压发动机飞行器爬升过程中发动机性能随飞行状态时变,且易受动力性能偏差、气动偏差和风干扰的耦合影响,传统的方法难以给出能量最优的爬升段轨迹解.针对该问题,提出了一种基于强化学习的轨迹优化控制方法.首先构建了基于近端策略优化(PPO)的强化学习任务模型,将轨迹优化问题转化为基于状态给出最优动作策略的强化学习问题,提出了对...     

基于Rodrigues参数和量测非线性的SINS/GPS动基座对准

对GPS辅助下,捷联惯导系统动基座对准问题进行了研究。利用姿态阵分解,将动态对准问题转换为一个常值姿态的估计,采用Rodrigues参数进行姿态描述,建立了系统方程线性,量测方程具有二阶非线性的对准模型,进而推导了基于二阶非线性量测完整泰勒级数展开的滤波算法。同时,对Rodrigues参数描述姿态时的奇异点问题进行了详细地讨论,设计了能自动判别并规避奇异点的滤波对准方案。以车辆典型机动轨迹为对象进行了蒙特卡洛仿真,结果表明,所设计算法能够在5 s内实现奇异点的判别及处理,且当GPS速度误差为0.1 m/s,位置误差为3 m,更新率为1 s时,惯性级捷联惯导系统在120 s时间内,可以达到水平姿态误差角均方根小于10″,方位误差角均方根小于4′的对准精度。     

基于改进人工鱼群算法的DGPS整周模糊度快速固定

为提高DGPS整周模糊度的搜索效率,将改进人工鱼群算法引入模糊度固定解搜索环节。在解算中首先根据GPS双差载波相位观测方程,利用卡尔曼滤波估计模糊度浮点解,针对短基线解算问题,以基线长度为约束确定模糊度搜索范围,进而采用LLL降相关算法对模糊度浮点解作降相关处理,最后利用附加整数约束的改进人工鱼群算法搜索整周模糊度固定解。算例分析结果表明,在与遗传算法的100次对比实验中,改进人工鱼群算法搜索平均用时1.6617 s,比遗传算法缩短2.4987 s,算法搜索速度更快,搜索效率明显提高。算法的模糊度搜索成功率为92%,高出遗传算法9%,搜索成功率得到有效提升。因此,与遗传算法相比,改进人工鱼群算法能够更为快速地得到整周模糊度固定解,且具有更高的搜索效率和成功率。     

混沌优化算法在土质边坡稳定性分析中的应用

确定边坡最危险滑动面并计算与之相对应的安全系数是边坡支护的重要任务。本文结合简化Bishop法,用一种新的智能优化算法——混沌优化算法来搜索全局最优解。该方法利用混沌运动本身具有遍历性、随机性、“规律性”等内在特点,能在一定范围内按其自身“规律”不重复地遍历所有状态,易于跳出局部最优解,具有很强的全局搜索能力。通过坡高为12.3m的某电厂三层土质边坡的典型算例分析,并和遗传算法、枚举法计算结果对比可知,计算结果超于一致,其差值接近于0,因此混沌优化算法能在很高精度下搜索到全局最优解,能很好地解决边坡稳定性分析中的优化问题。     

一种小卫星高精度自主定轨/定姿一体化新方法

基于传统小卫星对轨道和姿态参数确定采用分别计算的复杂模式,提出了一种利用地磁场和天文信息同时确定卫星轨道和姿态参数的新方法。首先通过分析小卫星轨道动力学J2模型和卫星姿态动力学模型,建立系统状态方程。其次将三轴磁强计与地磁场模型参考值的矢量作差,分析微分差值与状态变量的数学关系,建立定位/定姿观测方程。利用星敏感器提供的高精度姿态信息,建立定姿观测方程,同时利用星敏感器间接敏感地平观测折射恒星,建立定位观测方程。最后提出基于信息融合的先进滤波算法,并通过对多种导航模式进行数值仿真及结果分析,论证所设计一体化方法提高了系统定轨/定姿的精度和可靠性。     

基于速度辅助的车载卫星定向模糊度动态确定方法

针对车载双天线卫星定向系统的载波相位模糊度动态确定,探讨了速度辅助对模糊度搜索空间的约束性能,首次提出主天线速度矢量方向与车体纵轴之间偏离角的定量表达式,从而实现了准确设置卫星定向模糊度解算中的航向搜索范围。对实际车载数据的分析验证了该方法的有效性,不但适用于车载纯卫星定向系统,而且适用于多天线卫星定向（定姿）/IMU组合车载航姿确定系统,可显著提高卫星定向动态模糊度搜索速度及成功率,尤其增强车辆机动时的模糊度初始化性能。     

自适应SDV-UPF算法及其在紧组合中的应用

针对粒子滤波存在重要性密度函数难以选取和系统状态协方差阵可能出现的负定性问题,提出一种新的自适应奇异值分解无迹粒子滤波(ASVD-UPF)算法。该算法采用自适应因子修正动力学模型误差,通过奇异值分解抑制系统状态协方差矩阵的负定性,并以改进的UKF算法产生重要性密度函数,以弥补粒子滤波的缺陷,使该算法适用于非线性、非高斯系统模型的滤波计算。将提出的算法应用到所设计的GPS/SINS/PL紧组合导航系统中进行仿真验证,结果表明,提出算法的经、纬度误差、速度误差和姿态误差范围分别控制在(-0.5″,+0.5″)、(-0.8 m/s,+0.8 m/s)和(-1′,+1′)以内,误差估计的精度和收敛速度明显优于UKF和PF算法,能提高组合导航系统的解算精度。     

小型霍普金森杆多级电磁发射系统的优化

根据小型霍普金森杆(Mini-SHB)对发射效率高、体积小、噪声污染小的要求及动态性能测试对高应变率的要求,本文对磁阻式小型霍普金森杆电磁发射系统进行了优化。利用电磁发射原理、电磁仿真计算和控制变量方法,对影响子弹发射速度的五个因素:电容组电容量、电路初始电压、电磁线圈匝数、线圈用漆包线直径、子弹初始位置分别进行了仿真优化。根据仿真得到的各个最优参数研制的电磁发射系统获得了单级16.16m/s、二级21m/s的最高子弹出口速度,达到了微小型试件动态性能测试对高应变率的要求。     

一种带有末端弹体姿态角约束的非线性制导律

针对带有末端多约束的三维非线性制导问题,设计了一种通用模型预测静态规划制导算法。该制导算法通过向后迭代求解权矩阵微分方程对控制量进行更新,将动态优化问题转化为静态优化问题,计算效率得以提高。阐述了通用模型预测静态规划制导算法的基本原理,详细给出了基于通用模型预测静态规划算法的制导律设计过程。所设计的制导律满足末端法向加速度约束,因此,间接满足末端弹体姿态角约束。仿真时考虑目标的机动方式和落角约束,仿真结果表明,末端位移偏差小于0.5 m,末端落角可控制在0.01°范围内,末端法向加速度小于0.01 m/s2,该制导律能够很好地满足末端位移、落角和法向加速度约束。     

基于异步爬猴群算法的传感器优化布置方法研究

针对猴群算法中的重要步骤"爬过程"搜索盲目、效率较低的问题,提出了一种用于传感器优化布置的异步爬猴群算法。采用双重编码的方式,克服了原猴群算法只能解决连续变量优化问题的缺陷;利用猴群在搜索过程中的全局最优解和个体历史最优解的信息改进了爬过程的搜索模式,同时将异步变化学习因子引入到搜索模式中,通过调整猴子自身经验和社会群体经验在爬过程中所起的作用,来保持全局搜索和局部搜索的平衡,大幅提高了算法的搜索效率。文末以广州新电视塔为例,进行了参数敏感性分析以及传感器优化布置方案的选择。结果表明,异步爬猴群算法能较好的解决传感器优化布置问题,搜索效率较原猴群算法有了较大的提高。     

抗差自适应模型预测滤波及其在组合导航中的应用

为了提高捷联惯导(SINS)/天文导航(CNS)/合成孔径雷达(SAR)组合导航系统的定位精度,在吸收模型预测滤波和抗差自适应滤波算法优点的基础上,提出了一种新的抗差自适应模型预测滤波算法。该算法首先利用模型预测滤波估计出系统模型误差,并对其进行实时修正,以抑制系统模型误差对导航解算精度的影响;然后利用抗差自适应因子控制观测异常,抑制观测噪声对导航解算精度的影响。将提出的算法应用于SINS/CNS/SAR组合导航系统进行仿真验证,并与抗差自适应滤波进行比较,结果表明,提出的算法得到的姿态误差、速度误差和位置误差分别在[0.2,0.2]、[0.3m/s,0.3m/s]和[6 m,6 m]以内,滤波性能明显优于抗差自适应滤波算法,说明该算法能有效抑制系统模型误差及观测异常对导航解的影响,提高组合导航的解算精度。     

基于北斗导航卫星信号的低轨卫星自主定轨（英文）

利用北斗卫星导航信号对低轨卫星自主定轨进行了研究。首先对卫星轨道动力学方程进行了推导,建立一个考虑地球J2摄动下的卫星动力学模型,并利用4阶龙格-库塔数值积分法进行轨道传播。选用北斗卫星导航信号的伪距和伪距率作为定轨的测量方程。然后,对北斗卫星可见星的个数进行了分析。最后,采用SRUKF算法对低轨CHAMP卫星轨道状态进行估计,并通过STK8.1生成仿真数据对SRUKF、UKF和EKF算法的跟踪性能进行对比分析。仿真结果表明,在跟踪过程中最少能接收到18颗北斗卫星信号,能够满足定轨要求。在相同条件下,SRUKF算法的跟踪精度优于UKF、EKF算法,SRUKF算法能减少89%的位置误差和90%的速度误差。     

基于多解分离的GNSS/Inertial组合系统完好性监测

在卫星导航系统的完好性监测中,通常的接收机自主完好性监测过分依赖于可见星的几何分布,并且不能提供足够的可用性。针对该问题,给出了一种基于多解分离的惯性辅助卫星导航完好性监测方法。在对基于奇偶矢量的接收机自主完好性监测法及其可用性分析基础上,设计了基于多解分离的卫星导航/惯性组合导航紧耦合滤波器,推导了其完好性监测以及可用性计算方法。通过仿真实验,从可用性、阶跃故障和斜坡故障的完好性监测效果等方面,对两种方法进行了对比分析。结果表明,多解分离法在5颗星时仍能定位故障,水平保护限值可以降低50 m,对于1 m/s的斜坡故障检测时间可以缩短71 s,显著提高了完好性监测性能。     

火箭橇加载试验技术研究

根据空气动力学和火箭发动机的相关理论,针对600 m长无缝滑车轨道,对搭载50 kg有效载荷、速度为45 m/s和搭载100 kg有效载荷、速度为200 m/s的两种双轨滑车进行了理论估算和试验验证。试验中,滑车的速度测试采用磁感应法、激光法和高速摄影法三种方法。试验结果表明,三种测试方法获得的滑车速度值一致,测试结果与理论计算值符合得较好。