军航飞机流穿越民航航线冲突探测与解脱问题

针对军航飞机穿越民航航线的飞行冲突问题,对飞机流汇聚飞行场景进行建模分析,提出了基于滑动窗口的汇聚飞行冲突探测方法和基于合作博弈的多机冲突解脱方法。当飞机流进入预先划设的汇聚控制区,通过滑动窗口判断向前看时间内飞行冲突。基于此,潜在冲突机间组成一个联盟,以解脱边界条件为安全约束,以合作博弈理论中联盟福利最优解均衡各机效益,在保证安全的前提下实现效益均衡。根据最优机动方向特点,利用免疫粒子群优化算法快速求解策略。仿真结果表明,该场景下提出的方法能有效解算出满足要求的解脱策略,并均衡军民航飞机解脱效益。      

基于可达集的无人机低空飞行冲突解脱算法

针对无人空中交通管理（UTM）中的冲突解脱问题，提出了以可达集分析为基础的实时避撞算法。该算法可用于城市低空环境中的密集交通流空域，保证无人机（UAV）飞行过程的安全性。基于相对运动的概念，通过分析平面空域中的飞行博弈问题对避撞系统进行建模，同时利用水平集方法和最优控制理论对无人机的可达集进行分析和计算，使用机载传感器获取无人机与周围物体的信息，为每架无人机提供新的避撞策略。通过3种不同空域环境的飞行案例进行仿真实验，验证了该策略不仅可以得到平滑的飞行路径，实时安全地解决冲突解脱问题，而且针对合作/非合作目标均有效。     

航空拖曳诱饵空气动力及动态特性

航空拖曳式诱饵与被保护载机的相对空间位置及投放使用方法是诱饵能否成功干扰导弹的关键因素.针对传统有限段法的不足,提出改进的拖缆有限段法,将拖曳式诱饵的动态运动特性问题转变为拖曳线与拖曳飞机航迹轴系的夹角动态计算问题.通过分析拖曳飞机的速度矢量与拖曳线的几何关系,建立了拖曳式诱饵对拖曳载机的动态跟随模型.仿真计算了拖曳飞机机动飞行时,拖曳式诱饵的动态运动特性,结果证明算法简单有效,较好地模拟了其动态跟随特性.      

混沌多精英鲸鱼优化算法

针对无人机（UAV）的航迹规划问题,提出了一种基于混沌多精英鲸鱼优化算法（CML-WOA）的航迹规划方法。首先,在已知飞行环境下,建立3D飞行空间模型和航迹代价模型。通过引入罚函数,将有约束3D航迹规划问题转化为无约束多维函数优化问题,利用CML-WOA求解模型来获得最优航迹。其次,为克服WOA易陷入局部最优的缺陷,引入立方映射混沌算子改善初始种群,增强种群多样性,并通过自适应框架融入正余弦算法（SCA）,利用多精英搜索策略有效地提高了算法开发能力和探索能力。最后,使用贪婪策略保证了收敛效率。通过20个基准函数测试和航迹规划仿真实验对提出的改进WOA进行验证。结果表明:所提算法相对其他算法,寻优性能明显提升,具有较强局部最优规避能力和更高的收敛精度与收敛速度;能够稳定快速地规划出代价最少、满足约束的安全可行的飞行航迹。      

基于舵面配平的飞机续航飞行航迹优化方法

舵面偏转除了能够提供保证飞机稳定飞行的配平力矩,还将改变飞机的升阻比,从而影响其续航性能。在基于飞机质点假设的传统航迹优化方法的基础上,研究了飞机的升阻特性对其续航性能的影响:在上升段、巡航段及下降段前期增大升阻比,在下降段后期减小升阻比,有利于提高飞机的续航性能;提出了基于舵面配平的续航飞行航迹优化方法,以获得更接近于发挥飞机实际潜力的最优航迹与最大航程。对于多操纵面布局飞机,通过该方法能够确定其最优舵面组合配平规律。算例飞机的优化结果表明:相比单一舵面配平,最优舵面组合配平能够使算例飞机的总航程最大提高7.5%。      

战术飞行任务的水平航迹快速生成算法

由于军机的水平航迹规划必须考虑飞机作战生存性和执行任务的有效性，并且借鉴 实时性，所以成为较特殊的优化问题，应用多重尺度奇异摄动法简化了水平航迹规划问题，构成了战术飞行任务的水平航迹快速生成算法，仿真优化计算结果表明，算法能够快速生成水平航迹，优化结果也是有效的。     

基于飞行冲突网络最优支配集的冲突调配策略

针对空中交通流量逐年上升、管制压力增大、飞行冲突难调配的问题，以航空器为节点，基于航空器之间的速度障碍关系建立飞行冲突网络。定义最优支配集的概念，通过移除飞行冲突网络的最优支配集节点，快速消解网络中的冲突，降低网络的复杂性。在使用粒子群（PSO）算法对网络最优支配集进行求解的过程中，引入免疫机制，设置节点和连边2种类型的抗原，保证对关键航空器和高风险冲突的优先调配。实验仿真表明：所提冲突调配策略相较于传统方法能够快速识别网络中的关键航空器节点，并对高风险的冲突连边具有较好的灵敏性，可为管制员和管制系统提供更加准确、可靠的信息和建议，在宏观上辅助进行飞行冲突的调配。     

飞机突防航迹的非线性解耦跟踪

针对12维非线性飞机动力学模型,利用非线性逆系统理论和现代最优控制理论设计了一组非线性飞行控制规律。这组控制规律通过解耦控制飞机的飞行速度(V)、滚转角(φ)、航迹角(γ)和偏航角(φ_w),使飞机能够精确地跟踪期望的三维突防航迹。计算结果表明,由于这组控制规律计及了飞机动力学模型中的非线性因素,能够完全消除飞机的剧烈耦合反应,从而有效地改善了飞机的动态特性,提高了其低空机动飞行的安全性,大大减轻了驾驶员的工作负担和精神压力,从而圆满地完成突防袭击任务。     

基于合作博弈的多机冲突解脱算法

为解决低空无人机冲突解脱过程中个体支付成本不公平问题,提出了基于合作博弈“核仁解”概念的多机冲突解脱算法。针对低空多机冲突场景的特点,基于“核仁解”概念,建立无人机冲突解脱支付矩阵。结合人工势场法与蚁群算法的优点,提出基于人工势场法-蚁群算法(APF-ACO)的冲突解脱混合求解策略。仿真结果表明:综合计算时间、可行性与系统效率3个评价指标,APF-ACO混合求解策略效能最优;基于合作博弈“核仁解”的求解策略在一定程度上可提升个体公平性;同时能够在牺牲少量整体利益的前提下,拥有优先级无人机的快速规划达到目标。      

飞机飞行控制律/操纵效率器多学科优化设计

基于近似模型和遗传算法,针对多操纵面布局飞机提出一种对全包线飞行控制律和操纵效率器几何形状与位置进行多学科优化的设计方法.该方法采用力矩控制方式进行控制,应用鲁棒增益调参方法设计全包线飞行控制系统,利用试验设计方法和径向基神经网络响应面获取近似的气动学科模型和控制学科模型,在近似模型基础上由遗传算法获得优化的设计参数并最终获得优化的控制律和操纵效率器.以某多操纵面布局无尾飞机为例进行计算机飞行仿真验证,结果表明该方法具有可行性.      

基于诱导航线的多无人机编队飞行控制方法

针对无人机编队飞行控制问题,提出了一种基于诱导航线的协同控制方法,僚机根据当前相对于期望位置的误差和长机的飞行状态生成诱导航线并进行跟踪;针对飞行过程中的突发障碍采用改变编队队形的方法进行规避;针对无人机之间可能出现的碰撞情况,根据无人机到达碰撞点的时间以及位置分别从高度以及航向两方面进行躲避,仿真结果表明:采用此方法无人机能够保持稳定的编队,并同时能够躲避飞行过程中的障碍以及避免飞机之间的碰撞。      

基于有效中转时间预测的不正常航班恢复技术

不正常航班恢复问题研究通常基于固定航班中转时间，忽视了实际航班中转时间的改变对航班恢复带来的影响。对此，依据全国235个机场的全部运营航班数据抽取机场-航班特征，构建了基于LightGBM的航班中转时间预测模型，预测航班的有效中转时间，数值结果显示，航班中转时间预测模型预测的均方根误差为6.783 min。构造了基于有效中转时间的不正常航班恢复模型，并针对性地设计了求解该模型的列向量生成算法，构造的模型通过取消、改变计划时间、更换飞机等方式，分别在最小化航班延误时间、取消个数、换飞机个数的目标下，解决机场流量下降、机场关闭、飞机维修等不正常条件下的航班恢复问题。通过航空公司实际运行数据测试证明，基于有效中转时间预测的不正常航班恢复技术有效，在大规模航班恢复的情况下，可以将总延误时间减少34.2%。将列向量生成算法与时空网络算法的结果进行对比，所提出的恢复方法能降低航班恢复代价。      

Trajectory optimization for asteroid landing with two-phase free final time

This work develops an autonomous trajectory planning algorithm for 6-DOF asteroid landing. The trajectory planning problem is formulated as a nonconvex time-optimal optimization problem with two-phase free final time, while the cost is regularized by augmenting a fuel consumption penalty. The nonconvex optimization problem is solved in successive solution method, and successive convexification is used to convert the original nonconvex problem into a sequence of convex subproblems, where each subproblem is obtained by linearizing the nonconvex dynamics and state constraints and using the velocity increment to give a convex expression of the fuel consumption penalty in cost function. Specifically, in the linearization, we divide the flight time interval into two parts and normalize each part using a time dilation coefficient to solve the problem that both the final times for the two flight phases are unknown, so that the original free final time problem turns to a fixed-time problem by minimizing the sum of the two time dilation coefficients and fuel consumption penalty. Besides, trust regions and virtual control are used to increase robustness of the algorithm. A convergence analysis is presented which indicates the successive solution will recover the local optimality of the original problem. Then the validity of the proposed algorithm and effects of different factors on flight time and fuel consumption are examined by simulations of landing on an irregular asteroid.     

运载火箭推力故障下轨迹在线重规划方法

针对运载火箭非入轨飞行段出现动力系统故障的问题,提出了一种基于能量最优的在线轨迹重规划方法。通过参考轨迹进行引力项的凸化以及根据故障时刻和故障程度的不同设置不同的飞行时长,同时采用无损凸化、线性化和梯形离散等方法,将原始最优控制问题转化为可以采用原对偶内点法迭代求解的二阶锥规划问题,重新规划其飞行轨迹。仿真结果表明该算法能有效提高运载火箭应对突发故障的能力,实现轨迹在线快速收敛,满足动力系统故障后飞行轨迹重构需求。     

一种多机协同打击的快速航迹规划方法

针对多架自杀式无人机对重要目标进行协同打击的问题,在飞行器运动学、飞行器碰撞、时空协同等约束条件下,提出了一种空间分层分布的协同打击策略,在满足飞行器碰撞约束的前提下,有效提高了对重要目标防御系统的抵抗能力与飞行器自身的生存率。在此基础上,进一步提出了一种空间协同的多机打击快速航迹规划方法,结合Dubins曲线,将飞行器数目增加带来的计算量指数增长的问题,转化为多项式乘积形式的计算量,实时生成满足时空协同要求的次优航迹。通过仿真实验与实际飞行试验验证了所提方法的有效性,无人机可以在生成航迹的引导下,有效到达打击目标。      

航天器气动力辅助轨道转移轨迹优化问题研究

针对航天器共面及异面气动辅助轨道转移的轨迹优化问题,利用高斯拟谱法将原始连续两点边值问题离散化并转化为等价的非线性规划问题,应用SNOPT算法对此非线性规划问题进行求解．同时分析了对应于不同变轨角度时大气内飞行轨迹、飞行速度以及热流峰值的变化规律．     

基于地形匹配的直升机低空飞行前视告警方法

为解决直升机低空飞行时的防撞告警问题,提出一种利用地形匹配来修正直升机与地形之间相对位置误差的前视告警方法。首先,利用直升机飞行动力学模型预测逃逸轨迹,在此基础上生成告警边界。然后,将机载地形数据库与雷达探测的高程数据从空域变换到频域,通过基于互功率谱算法的地形匹配方法计算得到直升机与地形的相对位置误差,以获取二者之间的准确相对位置。由于地形匹配效果受地形起伏程度影响,采用地形熵选择匹配区域方法在进行地形匹配前筛除地形起伏较小的匹配区域,以此提高匹配准确度。最后,基于UH-60直升机飞行动力学模型设置了1 000组对照算例进行告警方法仿真测试。仿真结果表明:采用所提告警方法的测试组相比于常规告警方法,虚警率降低约16%,告警成功率提高近30%。说明所提的前视告警方法能够有效实现直升机低空飞行防撞告警。      

复杂低空物流无人机路径规划

针对复杂低空物流无人机路径规划问题,考虑空域环境、运输任务等内外限制,以飞行时间、能耗及危险度最小为目标函数,建立多限制条件物流无人机路径规划模型,设计启发算法以快速解算路径。采用栅格法对规划环境表征,引入物流无人机性能约束确保路径可飞。针对A*算法存在的问题及物流无人机航空运输特色,引入栅格危险度因子、货物质量惩罚系数,增加飞行时间、能耗等代价以提升避障能力、降低成本。为匹配所提启发算法解算效率与精度,采用动态加权法对函数赋权。为筛除冗余路径点及保证平稳飞行,采用双向交叉判断法等对原路径优化平滑。为验证所提路径规划模型及启发算法的有效性,对比4种算法规划结果,分析栅格粒度大小与代价权重值对结果的影响。在既定的运输环境及物流无人机性能约束下,研究结果表明:所提算法与A*算法相比,保证了物流无人机飞行安全、能耗少,将飞行时间由406 s降至386 s,降低了5%;飞行路径点数为129个、栅格危险度因子为11.69,降低了姿态改变次数,保证了运输安全;当栅格粒度大小为5 m,代价权重值为0.4、0.1、0.5时,采用所提算法规划的路径最佳。      

扁平体空间非合作目标多指外包络抓捕构型设计

针对空间非合作目标抓捕问题,提出了一种扁平体空间非合作目标多指外包络抓捕最优构型设计方法。该方法的核心在于：选择抓捕机构的主手指并控制它跟踪包络点;根据抓捕机构的多指几何关系计算从手指可行抓捕构型;利用外包络抓捕约束条件,以及碰撞检测约束条件,筛选出有效包络构型。与已有方法相比,该方法采用主 从抓捕的简洁模式,可以大大降低抓捕构型优化的计算量,适用于空间非合作目标实时在轨抓捕。进一步,引入了抓捕安全裕度的概念,用于量化抓捕机构多指形成的抓捕包络空间和空间非合作目标运动包络之间的安全裕度。考虑到形成抓捕构型之前尽量避免空间非合作目标与抓捕机构发生碰撞,避免产生二次碎片,在设计抓捕外包络构型时选择最大抓捕安全裕度构型作为最优构型。将该算法分别应用到四边形和正五边形运动目标包络问题中,仿真结果表明了其有效性。