基于蒙特卡罗模拟的航空发动机故障风险预测

针对航空发动机结构复杂、故障模式多样,传统故障风险预测方法难以实现的现状,基于蒙特卡罗模拟技术,给出了航空发动机故障风险预测方法,用于评估发动机各个部件在未来发生故障的可能性.针对航空发动机故障数据的特点,以威布尔分布建立故障概率模型,利用中位秩回归参数法,估计威布尔分布参数.利用乘同余组合发生器与反变换法相结合的方式产生满足威布尔分布的随机数.在单故障模式风险预测的基础上,给出了多种故障模式并存的航空发动机风险预测方法,并且给出了蒙特卡罗模拟步骤和算法,针对实例,对比发动机厂商提供的预测数据,验证了算法的有效性与蒙特卡罗模拟方法在航空发动机故障风险预测中的可用性.      

航天器热模型蒙特卡罗法参数分析及健壮度评估研究

针对传统航天器热模型的参数分析及温度余量选择存在的缺陷,提出了基于蒙特卡罗法的参数分析及健壮度评估方法。文章首先以航天器设备温度为因变量,以各不确定参数为自变量,应用蒙特卡罗法模拟取样,得到动态参数样本;通过样本的统计式推导,给出了参数分析及健壮度评估的求解方法。结合某星热模型进行了仿真应用,结果表明:与传统方法相比,蒙特卡罗法不但可以提高参数分析的效率,而且量化了各不确定参数敏感性以及设备温度分布概率,为设计人员判断设备温度余量提供数值依据。     

SRAD-QFT鲁棒优化设计新方法

针对使用定量反馈理论进行控制系统设计时存在的鲁棒性度量等问题,结合随机鲁棒分析与设计原理,提出一种鲁棒优化设计新方法.该方法使用被控对象参数的统计信息对参数不确定性进行描述,基于闭环控制系统的蒙特卡罗仿真,将获得的闭环控制系统不稳定概率及各项性能指标的不满足概率作为闭环控制系统稳定鲁棒性和性能鲁棒性的度量,并在此基础上实现闭环控制系统的鲁棒优化设计.由某型超声速反舰导弹纵向运动控制系统的设计过程表明:该方法能够准确地描述被控对象的参数不确定性,有效解决控制系统的鲁棒性度量问题,适用于复杂控制系统的设计.     

基于不确定性的航空装备体系保障性评估

针对航空装备体系结构复杂、要素繁多、耦合性强的特点，对其保障流程进行了研究。采用多Agent建模技术开展航空装备体系保障性仿真建模，并进行分析评估；考虑到保障过程中大量存在的主客观不确定性因素，分别采用模糊变量和随机分布2种变量形式予以描述；为符合客观变量动态时变的特点，将基于交叉熵的最大似然估计和哈密顿蒙特卡罗方法相结合，实现基于信息更新的仿真参数描述，优化航空装备体系保障仿真模型。以一个典型战训任务为例，验证了所提方法的可行性和准确性。      

考虑认知不确定的雷达功率放大系统可靠性评估

高可靠性部件短时间内很难得到足够的性能数据,致使对部件退化规律的认知存在一定不确定性,无法准确估计系统的可靠性。为实现对系统可靠性准确估计,假定部件性能参数的分布参数为区间变量,建立了基于区间变量的部件性能参数分布模型,给出了部件状态概率的计算方法。对状态性能区间边界进行补偿,定义了区间通用生成函数及其运算法则,提出了考虑认知不确定性的多态系统可靠性评估方法,并对某型雷达功率放大分系统的可靠性进行分析。本文方法克服了性能参数分布信息缺少、无法准确建立状态性能参数分布模型的不足,具有很强的通用性和工程应用价值。      

考虑结构刚度不确定性的概率颤振分析

针对舵面颤振系统中存在的不确定性问题,考虑参数的随机分布,利用蒙特卡罗模拟（MCS,Monte Carlo Simulation）和非浸入式随机多项式（NIPC,Non-Intrusive Polynomials Chaos）两种方法进行概率颤振分析,以对结构稳定性和颤振风险进行评估.选取一个存在非线性因素的典型三维舵面作为研究对象,考虑舵机弯曲刚度和扭转刚度两个不确定性变量均满足高斯分布,基于MCS和NIPC两种方法开展不确定性定量分析工作.MCS方法选取大量的样本进行颤振计算,而随机多项式方法利用配点法建立代理模型,以此获得大量的颤振信息,进而得到舵面系统发生颤振的危险速度区域及给定速度下系统发生颤振的概率,并对两种方法的置信水平、计算精度和计算效率进行了比较分析.结果表明,以不确定性量化为基础的概率颤振分析方法能充分利用不确定参数的概率信息对结构系统的颤振风险做出评定.      

基于测量数据的不确定性结构分析的模糊理论

针对不确定性结构力学问题,提出了基于测量数据的模糊分析方法.该方法利用差值因子构造了不确定参数的隶属度函数,对不确定参数的有限个分散数据进行不确定性描述和定量化处理,估计出其真值估计和区间估计,将其运用到不确定性结构力学问题的模糊有限元分析中,以求得结构的不确定性响应.最后以十杆桁架结构为例,运用该方法对结构的不确定响应进行了分析,仿真结果验证了该方法的有效性.     

背景压强对电推进羽流场影响的数值模拟

真空舱内背景压强是电推力器地面试验过程中影响工作性能评估和羽流场参数诊断的重要参数。针对LIPS-200型离子推力器羽流场参数的数值仿真中采用的背景压强建立方法进行了仿真分析。仿真中采用混合粒子网格(PIC)方法和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法处理羽流场中等离子体运动和粒子间碰撞,分别采用虚拟粒子和计算粒子建立压强的方式,对电推进羽流场进行了数值模拟,并与绝对真空环境进行对比分析。结果表明:背景压强的存在导致中性粒子和电荷交换离子数密度较绝对真空环境高1个量级以上。虚拟粒子可大幅提高计算效率,获得的流场中电荷交换离子分布与计算粒子结果相近,但中性粒子分布相差较大,虚拟粒子无法表征壁面及真空泵的影响。      

捆绑火箭气动载荷分布不确定性分析

针对带捆绑火箭气动载荷分布受飞行状态及本身外形参数变化影响存在波动的现象,提出了依据多项式混沌理论对捆绑火箭气动载荷分布特征进行全局灵敏度分析及不确定性量化的方法,并以两助推构型火箭为例对所提方法进行验证。首先,提出了捆绑火箭气动载荷分布不确定性分析的方法,并给出仿真分析流程。其次,以两助推构型火箭为例对所提方法进行验证,建立火箭气动外形参数化模型,验证气动特性分析结果。最后,对该模型开展影响因素灵敏度分析及载荷分布不确定性分析,得到了不同因素的影响程度,以及气动轴力和法向力的不确定性分布形式,分析了流场流动情况及气动载荷波动的主要原因。分析结果为捆绑火箭气动载荷波动控制提供了一定参考,通过定量描述气动载荷分布不确定性,可以有效降低安全系数冗余,为开展精确结构设计提供依据。      

基于线性回归近似替代模型的分布式卫星系统不确定性分析方法

分布式卫星系统在空间科学领域具有广泛的应用前景，同时也对概念设计阶段的分析工作提出了更高的要求.在分布式卫星系统概念设计阶段，评价不确定性参数对于最终探测效能的影响有着重要的工程应用价值.传统的不确定性分析方法存在解析困难、数值模拟计算效率低且耦合关系表征不明确的缺点.本文结合概念设计阶段不确定性分析的特点和需求，提出一种线性回归近似替代模型，将不确定性参数对于探测效能影响的结果计算降维为一个线性组合系数的求解问题.利用一个空间多点探测物理场分界面任务作为典型事例进行仿真验证，结果表明，相比传统数值模拟方法，本文方法在计算效率上具有明显优势且对关键不确定性参数有一定识别作用.      

基于光纤双环网的高精度时频同步技术研究

本文介绍了一种基于光纤双环网的时频同步技术设计方法,针对时频设备协同使用时如何获得高精度同步指标这一问题提出了一种设计思路。以系统时间源使用北斗/GPS/GLONASS,本系统同步精度优于5E-13,频率稳定度优于5E-13@1d;以UTC(BIRMM)输出的TOD+1PPS做系统时间源,本系统同步精度优于4E-13,频率稳定度优于6E-14@1d。本方案提出的方法原理简单,系统可根据使用情况进行裁剪,相比卫星双向等手段成本低廉,适合在时频同步领域推广。     

Advanced ensemble modeling method for space object state prediction accounting for uncertainty in atmospheric density

For objects in the low Earth orbit region, uncertainty in atmospheric density estimation is an important source of orbit prediction error, which is critical for space traffic management activities such as the satellite conjunction analysis. This paper investigates the evolution of orbit error distribution in the presence of atmospheric density uncertainties, which are modeled using probabilistic machine learning techniques. The recently proposed “HASDM-ML,” “CHAMP-ML,” and “MSIS-UQ” machine learning models for density estimation (Licata and Mehta, 2022b; Licata et al., 2022b) are used in this work. The investigation is convoluted because of the spatial and temporal correlation of the atmospheric density values. We develop several Monte Carlo methods, each capturing a different spatiotemporal density correlation, to study the effects of density uncertainty on orbit uncertainty propagation. However, Monte Carlo analysis is computationally expensive, so a faster method based on the Kalman filtering technique for orbit uncertainty propagation is also explored. It is difficult to translate the uncertainty in atmospheric density to the uncertainty in orbital states under a standard extended Kalman filter or unscented Kalman filter framework. This work uses the so-called “consider covariance sigma point (CCSP)” filter that can account for the density uncertainties during orbit propagation. As a test-bed for validation purposes, a comparison between CCSP and Monte Carlo methods of orbit uncertainty propagation is carried out. Finally, using the HASDM-ML, CHAMP-ML, and MSIS-UQ density models, we propose an ensemble approach for orbit uncertainty quantification for four different space weather conditions.     

多用途导弹引信及战斗部主要参数优化设计

针对目前多用途导弹对武装直升机单发杀伤概率建模中存在的不足,引入桨叶易损单元重要性因子的概念,运用蒙特卡罗方法和运动学原理采用新思路建立旋翼激光引信启动模型和战斗部对旋翼桨叶条件杀伤概率模型,为准确客观地分析多用途导弹对武装直升机目标的杀伤概率提供了必要的数学工具.基于所建立的多用途导弹单发杀伤概率模型,对多用途导弹引信和战斗部主要参数进行多目标优化设计,优化结果明显改善了单枚多用途导弹对武装直升机的杀伤性能及引信和战斗部的参数设计.     

Satellite collision probability estimation using polynomial chaos expansions

This paper presents the application of polynomial chaos (PC) to estimating the probability of collision between two spacecraft. Common methods of quantifying this probability for conjunction assessment use either Monte Carlo analyses or include simplifying assumptions to improve tractability. A PC expansion, or PCE, provides a means for approximating the solution to a large set of stochastic ordinary differential equations, which includes orbit propagation. When compared to Monte Carlo methods, non-intrusive, i.e., sampling-based, PCE generation techniques may greatly reduce the number of orbit propagations required to approximate the possibly non-Gaussian, a posteriori probability density function. The presented PC-based method of computing collision probability requires no fundamental simplifying assumptions, and reduces the computation time compared to Monte Carlo. This paper considers two cases where the common conjunction assessment assumptions are no longer valid. The results indeed demonstrate a reduction in computation time when compared to Monte Carlo, and improved accuracy when compared to simplified techniques.     

尾流飞行风险概率拓扑图的构建方法

考虑尾流遭遇情形下的不确定性与随机性因素,利用蒙特卡洛法对三维空间内的每个尾流遭遇点进行大数据量的仿真实验,提取了尾流遭遇情形下的三维极值参数,验证了一维的极值参数符合广义极值（GEV）分布;提出了三维极值参数的四参数变权重Copula（FPAVW Copula）模型,拟合优度检验的结果表明FPAVW Copula具有比其他Copula更高的精度;利用FPAVW Copula对尾流场内每个网格采样点上的三维极值参数进行了辨识,计算出了尾流空间的风险概率指标分布情况;在此基础上对尾流风险概率拓扑在不同发展阶段的结构特征进行了分析,构建了可视化的二维及三维风险概率结构图,可用来研究尾流场内的风险规避策略及算法.所提方法及思路亦可对其他内外部环境因素影响下的飞行风险概率评估及拓扑结构可视化等热点研究方向提供参考.     

结构振动主动控制系统的非概率可靠性分析

为了解决结构主动振动控制系统的可靠性问题,考虑结构参数的不确定性,研究了结构振动主动控制系统可靠性分析的非概率方法.对不确定变量用区间数或区间向量进行描述,基于区间数学,提出了含区间不确定参数的闭环控制系统响应的计算方法,在此基础之上结合非概率可靠性分析方法,建立了适用于振动控制系统的非概率可靠性分析方法.该方法无需不确定量的概率信息,只需明确参数所在区间范围即可,对开环系统和闭环控制系统的可靠性分析与基于可靠性的控制器设计具有一定的理论意义.通过数值算例,将非概率可靠性分析方法与蒙特卡洛方法进行了比较,结果表明了本文所提方法的有效性和对复杂结构振动主动控制系统的适用性.