基于UKF的FADS/INS融合大气数据估计

针对飞行器在高速飞行时受气流干扰、惯性数据易发散等问题,从传感器数据融合角度出发,提出了通过无迹卡尔曼滤波(UKF)融合嵌入式大气数据观测系统(FADS)和惯性导航系统(INS)估计飞行器实时大气数据的算法。算法使用高维度非线性方程对惯性系统和大气系统间的关系建模,结合FADS与INS的数据,计算飞行器速度和高度,进而估算出攻角、侧滑角等参数。实验结果显示,与INS直接解算、扩展卡尔曼滤波(EKF)融合等原有估计方法相比,文章所述的算法在估计精度和系统稳定性方面均有所提高。     

一种嵌入式大气数据系统余度设计方案

针对嵌入式大气数据系统,从系统余度设计和数据解算余度设计两个角度进行分析,并提出解决方案。系统余度设计方面,介绍了测压点余度设计方法,并提出一种基于计算机内总线的双余度嵌入式大气数据计算机架构,使得系统设计余度在两余度以上;解算算法余度设计方面,建立参数测量模型,并推导了利用风洞数据进行参数解算的方法,得到参数后可应用最佳线性最小方差无偏估计对大气数据进行在线实时估计。     

基于CP FODT实时数据处理技术稳健性研究

为改善飞行器实时数据处理中端点附近数据解算精度差、状态预估不准确的问题,提出并证明三次多项式一阶导数定理(CP FODT),对基于该定理的一阶导数解算方法的实时数据处理性能进行了研究.通过仿真计算研究了拟合区间长度、测量误差限及采样间隔对于计算结果的影响,对解算误差进行了分析,给出参数选取的基本原则,并采用实测数据对解算效果进行了验证.验证表明该算法对于实时数据处理具有较高的稳健性和可靠性,可提高端点附近数据的解算精度和预测的准确度,并可衍生为插值算法,能够为实时数据处理提供高精度的数据源.     

有翼再入飞行器的超/高超声速气动力工程方法

有翼再入飞行器气动力的工程计算方法尚有待进一步完善,计算精度有待进一步提高。文章根据有翼再入飞行器的气动布局特点,改进和发展了一套适于其气动布局的部件划分策略和压强计算选取准则。以此对航天飞机轨道器和类X-34飞行器的纵向气动力特性进行工程计算,并与其风洞试验和数值模拟结果进行对比分析。结果表明,文中的工程计算方法在马赫数3以上的超/高超声速范围内可准确预测有翼再入飞行器的升阻特性,其中升力系数和阻力系数误差小于10%;并可准确预测俯仰力矩特性随迎角改变的变化规律。与现有方法相比,文中的部件划分策略和压强计算选取准则在升阻特性精度相当情况下,可明显提高俯仰力矩的预测精度,并反映飞行器表面的压强分布特征。     

高超声速滑翔飞行器地形匹配辅助导航方法研究

高超声速滑翔飞行器滑翔飞行高度在30 km以上，大气极其稀薄，传统采用气压高度计的地形匹配辅助导航方式将无法正常工作。为实现高精度地形匹配，在分析匹配算法对地形常值误差不敏感的基础上，详细论证了基于惯性系统解算绝对高度方案，并对比分析了将短时滑翔段弹道简化为等高飞行方案。在捷联惯性导航系统（SINS）误差模型基础上，结合高度通道方块图，通过拉普拉斯变换，建立了惯性系统高度通道短时稳定性解析模型，并以CAV-H为研究对象建立数值仿真环境。仿真结果表明，解析模型精度较高，基于SINS解算绝对高度能够满足地形匹配辅助导航系统精度要求，优于气压高度计正常工作时的精度。      

MISTRAM系统定轨的数学方法

通过对ＭＩＳＴＲＡＭ系统跟踪航天飞行器定轨原理的细致的数学分析,得到了一种解算轨道的新方法。该方法不需要标称轨道,计算极为简便,而且精度高;同时还给出了误差传递方式。实测数据和大量模拟计算均表明,该方法有很好的效果。     

一种连翼飞行器气动和飞行力学迭代仿真方法

根据连翼布局飞行器气动力和力矩的分布特点,建立了面向其气动部件的飞行力学数学模型。将计算流体力学(CFD)和飞行力学仿真结合,采用时间步长离散,建立了一个能通过气动计算和飞行力学相互迭代来完成仿真全过程的面向连翼布局飞行器气动部件的仿真平台,并且在仿真过程中能全程监测所有部件的气动、动力学、姿态和航迹参数的变化。通过该仿真平台对不同输入信号作用下的动力学响应分析了连翼布局飞行器纵向和横侧向的动力学特性。仿真分析结果表明:该连翼布局飞行器纵向具备静稳定性,但横侧向不具备静稳定性。同时,横向和航向运动耦合明显,符合荷兰滚运动偏航及侧滑振荡明显的主要特征。所提方法可为了解连翼布局飞行器本体及飞行动力学响应特性、飞行品质和飞行安全研究等工作提供分析基础。      

面向联结翼总体设计的气动弹性优化

由于前翼和后翼的连接关系，联结翼飞行器气动和结构特性与常规布局飞行器有所不同，相互连接的机翼形成一个复杂的过约束系统，布局参数繁多，多学科设计空间增加，分析困难。为分析不同布局参数对联结翼整体性能的影响，基于工程梁理论，对不同前后翼连接位置、前/后掠角、上/下反角、端板高度、根梢比等参数的联结翼开展气动弹性优化研究，以最小结构质量为目标，在静气动弹性与颤振等条件约束下，通过遗传算法对联结翼梁架结构翼盒剖面参数展开设计，并采用高精度计算流体力学/计算固体力学（CFD/CSD）耦合方法分析优化后的模型升阻特性。通过气动弹性优化，分别得到最佳结构性能和最佳气动性能的联结翼布局参数，结果表明：这种针对联结翼每个重要参数的最优解集可发现联结翼设计的规律，并为设计提供支撑。     

谐振式液体密度传感器的频率解算方法研究

为实现高精度测量谐振式液体密度传感器的输出信号频率,在现有的FFT频率解算理论基础上,引入更符合实际情况的加窗插值FFT频率解算方法,并分析频率变化以及噪声对解算结果的影响。通过Matlab仿真实验对该方法中常用的窗函数进行对比分析,最终选择加入Rife_Vincent窗的插值FFT算法作为输出信号频率的解算方法,并在所设计的硬件系统上进行了实验验证,结果表明,采用加Rife_Vincent窗的插值FFT算法解算传感器输出信号的频率,其解算误差小于0.1Hz,解算精度高且易于实现。     

谐振式液体密度传感器的频率解算方法研究

为实现高精度测量谐振式液体密度传感器的输出信号频率,在现有的FFT频率解算理论基础上,引入更符合实际情况的加窗插值FFT频率解算方法,并分析频率变化以及噪声对解算结果的影响。通过Matlab仿真实验对该方法中常用的窗函数进行对比分析,最终选择加入Rife_Vincent窗的插值FFT算法作为输出信号频率的解算方法,并在所设计的硬件系统上进行了实验验证,结果表明,采用加Rife_Vincent窗的插值FFT算法解算传感器输出信号的频率,其解算误差小于0.1Hz,解算精度高且易于实现。     

碟形飞行器纵向飞行品质

碟形飞行器是一种新颖的,采用翼身融合布局的飞行器.应用经典飞行动力学理论的线性化小扰动方法对碟形飞行器在低速条件下的纵向稳定特性进行了仿真计算,采用时域分析的方法对其纵向模态进行了分析,得到了碟形飞行器的纵向飞行品质状况,并进行了试飞验证.同时将碟形飞行器同常规布局飞机和飞翼飞机的特性做了简要的对比,分析了碟形飞行器同二者的异同之处和产生的原因.研究结果表明,碟形飞行器纵向模态稳定,具有良好的纵向飞行品质和综合性能.      

空间光纤传感测量技术应用研究

针对空间环境参数测量的需求和特殊环境约束，研究光纤技术应用于空间飞行器上的系统性解决方案。从不同的参数敏感形式当中选择光纤光栅实现温度、压力等物理参数测量，详细分析了光纤光栅解调装置的设计与实现，采用CCSDS标准协议形式实现测量数据的封装和传输。针对空间环境的特殊性，分析空间力学环境、辐照环境对光纤传感测量系统的影响，研究了提高测量系统空间环境适应性的方法，为空间飞行器上的物理参数集成化测量提供一种有效的解决方案。     

空间光纤传感测量技术应用研究

针对空间环境参数测量的需求和特殊环境约束,研究光纤技术应用于空间飞行器上的系统性解决方案。从不同的参数敏感形式当中选择光纤光栅实现温度、压力等物理参数测量,详细分析了光纤光栅解调装置的设计与实现,采用CCSDS标准协议形式实现测量数据的封装和传输。针对空间环境的特殊性,分析空间力学环境、辐照环境对光纤传感测量系统的影响,研究了提高测量系统空间环境适应性的方法,为空间飞行器上的物理参数集成化测量提供一种有效的解决方案。     

飞行器姿态角解算的全角度双欧法

为了实现飞行器超机动飞行情况下姿态角的连续解算,将传统双欧法进行了改进.通过引入判别函数使得数值模拟过程中正反欧拉角能一一对应,克服了欧拉方程的奇异性,消除了传统双欧法须限定俯仰为 的限制,从而将正反欧拉角取值范围扩展到了全角度,实现了飞行器的任意姿态角连续解算.采用改进的双欧法数值模拟了飞机斤斗飞行动作,时间积分采用了变步长龙格库塔方法,结果表明该方法简单有效,能得到连续的高精度解.      

基于三频数据的北斗卫星导航系统DCB参数精度评估方法

差分码偏差（Differential Code Biases,DCB）参数作为导航电文中重要的一项,是影响用户PNT服务的主要误差源之一。北斗卫星导航系统（后文简称“北斗系统”）发射三个频点的导航信号,在导航电文中需要发播卫星的2个TGD（Timing Group Delay）参数。文章首先介绍了北斗系统卫星DCB参数最小二乘解算与形式误差评估;其次根据北斗系统三频特点,提出了不同频点组合计算垂直方向电离层电子总含量（VTEC）互差的DCB精度定量评估方法,并与IGS(International GNSS Service)提供的GPS卫星DCB精度进行比较;最后,详细分析了DCB参数精度对用户等效距离误差（UERE）计算和定位计算的影响,分别采用卫星出场标定DCB参数和经过解算DCB参数进行评估。实测数据分析结果表明,北斗系统卫星DCB参数解算形式误差与IGS解算GPS卫星DCB参数形式误差相当,但受卫星类型和解算测站的几何分布限制,北斗系统卫星DCB参数解算不确定度相比IGS略差,估计精度优于0.5ns,不同频率组合计算VTEC互差绝对值均值优于0.6TECU。相比采用卫星出场标定值,采用系统解算DCB参数后,双频用户三维位置误差改善13.80%～47.42%。     

非一致终端约束下火星大气进入段制导律设计

针对小升阻比的火星探测器在火星大气进入过程中所面临的难点问题,对火星大气进入过程制导方法进行了研究。首先在确知探测器弹道系数和升阻比的前提下,考虑过程量及开伞条件约束,优化设计再入飞行的初始再入角。然后考虑非一致终端约束和飞行器的有限机动能力,设计参考轨迹剖面,并确保其能提供足够的裕度来应付各种参数不确定性。最后设计标准轨道法制导律,完成轨迹有效跟踪,并通过六自由度仿真验证了算法的合理性,为火星着陆项目中大气进入段制导方案设计提供参考。     

基于有限元素法的挤压油膜动力特性研究

挤压油膜阻尼器(SFD,Squeeze Film Dumpers)因减振效果显著,目前广泛应用于航空发动机等高速旋转机械中.在基于雷诺方程的短轴承近似解或长轴承近似解基础上,提出了求解带挤压油膜阻尼器的转子支承系统稳态动力特性的有限元挤压油膜计算方法,该方法能有效地模拟转子系统在各种工作条件下的油膜力模型.为了验证上述理论分析结果,用有限元法计算了带挤压油膜阻尼器转子系统的油膜压力分布和油膜阻尼,分析中还考虑了油膜惯性力的影响.通过对某发动机转子支承系统的模拟计算,并与试验结果进行对比分析,证明给出的系统动力特性计算方法及性能分析结果可用于工程实际.      

高超声速再入飞行器气动布局多目标优化

气动布局的多目标优化是飞行器设计中的关键技术。提出一种新的高超声速再入飞行器气动外形参数的多目标优化方法,证明外形优化对高超声速流下飞行器性能的影响。通过实例仿真对飞行器所受阻力和升力对制导性能影响进行详细验证分析,将飞行器落点圆概率偏差、末速大于500 m/s的占比、最大飞行过载小于60g的占比这3个性能指标作为优化目标,将升力特性作为中间参数,将气动布局优化问题分解为2个子问题,通过基于搜索算法的升力特性优化和基于改进的模拟退火算法的外形参数优化,减少优化计算时间、提升计算效率、实现对飞行器主体和襟翼的气动布局优化、获得高超声速流下的最佳飞行器外形。仿真结果表明：在确定的约束条件下,优化算法增加了飞行器在超音速流下的气动升力,有效提高了升阻比。在不影响最大飞行过载的前提下,优化后的飞行器表现出更高的气动性能,显著提升了命中精度,同时末速也满足指标要求,制导系统性能得到有效改善。     

小型仿生人工手指触觉感知系统设计

针对目前触觉传感器电路复杂、体积大等问题,设计了一套基于导电液的小型仿生手指感知系统,实现了同时测量温度、三维力、压力等物理信息的功能。系统由单片机数据采集电路、触觉电极阵列电路、温度传感电路和压力传感电路等组成。针对被采集信号的特征,设计了信号调理电路,对信号进行了转换及滤波;设计了FPC接口和板对板接口,将各硬件模块进行了有效的衔接,使得电路结构实现了高度一体化;为了实现数据处理和传感器融合,将由手指传感器测量的触觉感知信息通过USB传输给了上位机,并设计了上位机软件,以显示和存储采集到的数据。实验结果表明,该系统能够实现对温度、压力、三维力数据的快速采集、传输和处理。     

类X-20高超声速飞行器反馈线性化控制研究

通过对类X-20高超声速飞行器的气动系数与高度、马赫数、攻角、侧滑角和舵偏角的关系进行分析,对各项气动系数进行了简化和拟合,并将舵偏增量视作控制输入,在此基础上建立了类X-20飞行器仿射非线性形式的控制模型,证明了它是可以输入输出精确线性化的,从而可以设计反馈线性化控制器.最后在存在大气密度、气动力矩系数和转动惯量不确定性情形下,针对原动力学模型进行闭环仿真研究,原动力学模型考虑地球旋转,气动数据直接从类X-20飞行器的气动数据表插值得到.仿真结果表明,所设计的控制律可以实现控制目标,具有较强鲁棒性.