基于快速性能计算算法和序优化的卫星星座构型设计研究(英文)

卫星星座设计是一个复杂耗时的仿真优化设计问题。本文首先介绍了一种利用Hermite插值算法计算卫星星座性能指标的快速算法,用来减少计算复杂度和时间,并且基于快速算法建立了星座构型优化模型。其次引进了序优化理论,用来缩减搜索空间。针对星座优化问题,详细阐述了序优化所涉及到的精确和粗糙模型、有序性能曲线、选择规则和选择集合。通过对卫星导航星座和天基目标监视星座系统的仿真表明序优化理论对处理卫星星座优化设计问题是有效的。     

考虑轴承游隙的非线性动力学轴承-转子系统优化

针对一类带动态性能约束的轴承-转子系统优化设计存在的问题,做如下改进工作:一是在目前一类轴承-转子系统优化模型基础上,将轴承游隙作为设计变量,考虑轴承游隙的影响;二是提出了一种演化算法/线性搜索的混合算法,将优化过程分为两个阶段,首先采用演化算法对问题全局寻优,求得给定代数时的优化解,再以此解作为新的初始解,采用线性搜索方法进行局部搜索.经数值仿真表明:该优化模型中增加考虑轴承游隙后,对优化结果有较大影响;提出的混合算法克服了使用线性搜索方法难以确定初始解的问题,在同等计算精度和耗时情况下,该方法求解成功率较高.      

基于自适应连续蚁群算法的卫星星座设计(英文)

蚁群算法是一种解决多变量问题的新型启发式仿生算法。本文分析了卫星对地面的覆盖条件,提出用——/(n 1)重覆盖率来评价星座的覆盖性能,建立了以覆盖性能为目标函数的卫星星座参数优化模型。采用蚁群算法对卫星星座参数进行优化,为星座优化问题提供了一种新方法。在连续蚁群算法的基础上对算法进行改进,提出蚂蚁种群数量的自适应准则,有效的提高了搜索范围与收敛速度。通过仿真表明,与其他方法相比,蚁群算法在星座参数优化有着明显的效率。     

GNSS无线电掩星大气探测混合星座设计

针对目前GNSS无线电掩星大气探测卫星星座参数依赖大量仿真计算进行统计选取的研究现状,通过将探测卫星星下点与大气测点间地心角距作为观测半径提出了一种虚拟“星—地”遥感假设,给出了一种崭新的掩星测点预估方法,具有计算速度快的特点.基于该方法推导了探测星座参数与大气探测覆盖性之间的极值相关特性,建立了GNSS无线电掩星大气探测卫星星座设计准则,并以GPS和BD为兼容性观测信源完成了GNSS掩星大气探测混合卫星星座设计.通过仿真试验,验证了设计方法的快速性和可行性,GPS+BD掩星大气探测混合星座每日可实现掩星探测量为COSMIC星座的3倍以上,12h内掩星测点全球分布均匀度提升12％.     

一种改进的果蝇优化算法及其在气动优化设计中的应用

果蝇优化算法(FOA)是一种新的群体智能优化算法,具有良好的全局收敛特性。为进一步提高FOA的寻优性能,将其引入到气动优化设计中,发展形成了改进的果蝇优化算法(IFOA)。IFOA通过引入惯性权重函数动态调整搜索步长,有效实现了算法全局搜索和局部搜索之间的动态平衡,提高了算法整体搜索效率和寻优精度;对于多维优化问题,IFOA每次搜索仅随机扰动其中一个决策变量,并在每个迭代步内将所有优秀果蝇个体(可行解)结合产生一个全新的果蝇个体进行一次搜索,大大加快了算法的收敛速度。函数测试结果表明,IFOA显著提高了FOA的寻优性能。将IFOA应用到气动优化设计中,翼型反设计和单/多目标优化设计的算例表明,IFOA是一种简单高效的优化方法,可广泛应用于气动优化设计。     

基于最大度和随机游走的混合搜索算法

针对常规算法在网络搜索时搜索速度较慢和查询消息过多的缺点,提出了一种基于最大度和随机游走的混合搜索算法。该算法综合了最大度搜索信息利用充分和随机游走快速访问远程连接的优点,仿真结果也证实该算法能有效改善网络搜索速度和控制查询信息量。     

基于搜索空间变换和序优化的预警星座设计

高轨预警星座由若干颗地球静止轨道卫星和大椭圆轨道卫星组成,星座优化的目标是满足重点监视区域的覆盖和提高覆盖区域的定位精度。对于覆盖性优化,根据多个监视区域的威胁等级,星座系统需要提供不同的覆盖重数;对于定位精度优化,系统在立体观测和单星观测情况下存在很大差异。因此高轨预警星座优化是一个复杂多区域多目标优化问题。针对以上难点,提出了多层次多目标优化模型,可以较完整合理地描述预警星座优化问题;在优化模型求解方面,将优化计算分为覆盖性优化和定位精度优化两个环节;在覆盖性优化环节,提出了基于搜索空间变换的覆盖性快速优化方法,提高了Pareto最优解的计算速度和准确性。在定位精度优化环节,采用序优化方法进一步缩短优化时间。仿真试验表明,该方法可设计出满足预警任务需求的星座,且优化耗时在1 min以内,能有效地缩短预警星座优化时间。     

一种多目标区域多轨道星座设计方法

在有限资源条件下,针对多目标区域的对地观测问题是航天器轨道设计、在轨任务规划中的重要问题。卫星效能的充分发挥基于科学的卫星星座设计。围绕多区域多轨道星座设计问题:首先,结合运载器实际能力,确定轨道类型和设计变量;然后,根据轨道外推、星下点轨迹、探测区域等算法,提出重访时间的计算方法,以最大重访时间作为星座性能指标,采用多层嵌套变量搜索方法实现星座设计;最后,对 1个具体任务进行实例设计。结果表明,采用该方法能够设计出满足指标要求的星座,具有可行性。     

对等网络平台搜索模型

分析了无结构对等网络若干经典搜索算法的优缺点,进而提出一种兼顾查询深度与广度的平台搜索算法(PFSA:Platform Searching Algorithm).该算法在提高了网络资源利用率、保持较快搜索速度的同时维持着较低的消息冗余度;其子查询算法针对Blind Counter Rumor Mongering算法的不足加以改进,使得搜索算法可以根据不同的网络动态地调整自身参数,大大提高了算法的鲁棒性.     

基于自适应步长选择的周期格型线搜索估计

稀疏、含噪观测条件下周期点过程的周期估计是一个经典的信号处理问题。针对该问题,提出了一种格型线搜索(LLS)算法,该算法通过数值方式搜索似然函数的最大值,但其性能取决于人为预先选取的搜索步长。推导了一个步长计算公式,并利用该公式改进了LLS算法。改进的LLS算法能够自适应选择搜索步长,其达到的克拉美-罗界(CRLB)的信噪比(SNR)门限与最大似然估计(MLE)算法一致,但计算复杂度比后者低一个多的数量级。性能分析与仿真实验表明,所提算法比已有算法能更好地实现估计精度与复杂度的折中。     

MIMO系统下一种改进的 LatticeReduction线性预编码算法

现有LR(Lattice Reduction)辅助的线性预编码算法,在接收机端需要对接收到信号进行平移变换,因而仅适合于点对点的MIMO系统中,然而在广播信道条件下,由于接收机是分散的,且功率尺寸受限,不适宜采用现有的线性预编码算法。针对这一问题,文章提出了一类改进的LR辅助线性预编码算法,并给出了相应ZF和MMSE准则下的具体实现。在该算法中,信号处理主要在发送机端完成,以降低接收机端的计算量。仿真结果表明:文章提出的算法相比现有的LR辅助线性预编码算法误比特率性能更好,因而更适用于广播信道条件下的MIMO系统。     

一种基于FFT/IFFT技术的罗兰C天地波识别新算法

罗兰C天、地波到达时间间隔小于50μs时,对天、地波到达时刻的估计误差大。为了准确估计时间间隔小于50μs的天、地波到达时刻,在FFT/IFFT技术基础上采用了天、地波分别识别算法,并证明了该方法可行性。仿真结果表明：利用该算法,天地波自动识别的准确率分别可达99．6％和98．6％以上,相对USCG标准可改善信噪比4．4dB,对数字化罗兰C接收机的研究与设计具有重要意义。     

一种面向航空集群的集中控制式网络部署方法

软件定义网络（SDN）的发展为机载网络构建提供了全新的设计思想。针对航空集群环境下控制平面的可扩展性问题,研究了混合层次式架构下的多控制器部署问题。首先,为实现对底层传输节点的弹性管控,通过扩展控制层级定义了本地控制器资源池。然后,为减少时间复杂度,实现本地控制器的快速部署,将传统的多控制器直接部署转化为子域划分和域内部署两个步骤,提出了基于节点密度排序的子域划分算法和基于改进多目标模拟退火的域内控制器部署算法。实验结果表明：与已有算法相比,所提算法在保证控制器的负载均衡基础上,可以有效减少网络控制链路的平均时延和平均失连率,同时时间复杂度更低,能够适用于大规模及动态网络环境下的控制器部署场景。     

基于Kalman滤波和奇偶矢量法的优化RAIM算法

针对传统RAIM算法很难检测微小伪距偏差的问题,可以通过对多个历元的统计检验量进行归一化处理,增大统计检验量的非中心化参数,提高对微小故障的检测率.Kalman新息检测法可以对卫星的故障进行独立检测,具有运算量小、在少星情况时仍能进行故障检测和识别的优点,但是对微小伪距偏差不敏感.针对两种方法的优点提出了基于Kalman滤波和奇偶矢量法的综合RAIM算法.仿真结果表明,该方法不仅可以提高对微小伪距偏差的检测率,同时减少了对可见卫星数的要求,验证了该算法应用于接收机自主完好性检测的可行性和正确性.     

Moving target localization in distributed MIMO radar with transmitter and receiver location uncertainties

In this paper, the problem of moving target localization from Bistatic Range(BR) and Bistatic Range Rate(BRR) measurements in a Multiple-Input Multiple-Output(MIMO) radar system having widely separated antennas is investigated. We consider a practically motivated scenario,where the accurate knowledge of transmitter and receiver locations is not known and only the nominal values are available for processing. With the transmitter and receiver location uncertainties,which are usually neglected in MIMO radar systems by prior studies, taken into account in the measurement model, we develop a novel algebraic solution to reduce the estimation error for moving target localization. The proposed algorithm is based on the pseudolinear set of equations and two-step weighted least squares estimation. The Cramer-Rao Lower Bound(CRLB) is derived in the presence of transmitter and receiver location uncertainties. Theoretical accuracy analysis demonstrates that the proposed solution attains the CRLB, and numerical examples show that the proposed solution achieves significant performance improvement over the existing algorithms.     

Graphical Derivations of Radar, Sonar, and Communication Signals

The designer of a communication system often has knowledge concerning the changes in distance between transmitter and receiver as a function of time. This information can be exploited to reduce multipath interference via proper signal design. A radar or sonar may also have good a priori information about possible target trajectories. Such knowledge can again be used to reduce the receiver's response to clutter (MTI), to enhance signal-to-noise ratio, or to simplify receiver design. There are also situations in which prior knowledge about trajectories is lacking. The system should then utilize a single-filter pair which is insensitive to the effects induced by relative motion between transmitter, receiver, and reflectors. For waveforms with large time-bandwidth products, such as long pulse trains, it is possible to graphically derive signal formats for both situations (trajectory known and unknown). Although the exact form of the signal is sometimes not specified by the graphical procedure, the problem in such cases is reduced to one which has already been solved, i. e., the generation of an impulse equivalent code.     

An Algorithm for Designing Burst Waveforms with Quantized Transmitter Weights

An algorithm is described which finds optimum transmitter and receiver weights to maximize clutter suppression in a predetermined clutter region when using burst waveforms. It is assumed that the transmitter weights can only take on values from a finite set. This optimization problem is solved using a branch and bound algorithm. An example is given which shows the improvement in clutter suppression when this new design procedure is used as compared to a simpler nonoptimal procedure.     

基于气压高度辅助的机载自主完好性监测算法

卫星接收机自主完好性监测是指根据用户接收机的多余观测值监测用户定位结果的完好性,其目的是在导航过程中检测出发生故障的卫星,并保障导航定位精度。针对卫星接收机自主完好性监测算法可用性不足的问题,结合机载实际导航系统配置,提出了一种基于气压高度表辅助的机载自主完好性监测算法。综合利用卫星导航系统及气压高度表观测信息,建立联合系统的观测模型,推导了基于多解分离的完好性监测及保护级别计算方法。仿真结果表明,相比于传统的接收机自主完好性监测算法,该算法在可见星为5颗时仍能识别故障卫星。该算法具有更好的故障检测能力及可用性,能有效提高卫星导航系统的完好性监测性能,从而保证卫星导航系统的精度和可靠性。     

针对弹载卫星导航接收机干扰方向测定的算法研究

在弹载应用中,卫星导航接收机动态范围大,干扰方向相对接收机变化迅速,高动态导致自适应抗干扰算法产生的零陷深度变浅、范围变大,同时破坏了零陷附近接收的卫星信号,严重影响了 自适应空时滤波的抗干扰性能.研究弹载卫星导航接收机干扰方向的测定方法,通过干扰测向将天线零陷对准干扰方向,在指定方向形成波束,从而提高了接收机的抗干扰能力.针对弹载高动态对卫星导航接收机干扰方向测定实时性和准确度的要求,提出了 MUSIC-ESPRIT联合算法,将传统的ESPRIT算法的测定结果作为MUSIC算法的初始值,进而缩小谱峰的搜索范围.仿真结果表明,提出的MUSIC-ESPRIT联合算法与传统的MUSIC算法相比,在保证干扰测向精度的同时降低了计算量,满足弹载卫星导航接收机对干扰方向的测定要求.     

基于扩展单故障策略的多故障诊断算法

目前存在的测试性分析和故障诊断工具基本都是基于单故障假设,这一假设已经不适用于拥有很多元器件的复杂系统或者在运行过程中很少或不具备维修机会的系统。针对这一问题,研究了有效的基于扩展单故障策略的多故障序贯测试算法。该算法以最优单故障策略为基础,通过应用附加测试来隔离隐藏故障;通过更新故障状态集,重新调用单故障策略来隔离冒充故障。以某型机载电子设备为例给出实例分析,验证了该算法隔离隐藏故障和冒充故障的有效性。