基于事件触发的航天器变周期控制方法研究

摘要： 随着未来航天技术的发展对航天器自主性工作的要求越来越高，星上嵌入式系统所需处理的数据量也急剧增大.而如何在通信与计算资源约束下保证航天器性能就成为一个关键问题.本文基于事件触发控制方法，提出一种在保证控制性能前提下能够大幅降低星上总线负载的航天器姿态控制方法.并从扰动系统理论出发，给出算法的设计流程和稳定性证明.通过仿真算例验证算法的有效性.     

基于事件触发的多机编队目标跟踪控制

为解决多机编队目标跟踪过程中存在的机间通信和控制更新频繁的问题，提出了一种具有事件触发机制的多机编队目标跟踪控制算法。首先，给出了一种具有事件触发策略的编队队形描述与目标跟踪一体化算法，简化了算法设计的复杂度，并使触发机制的工作过程更加直观；其次，给出了分布式目标跟踪控制律，并仅利用状态估计信息设计了事件触发函数，使无人机间通信与控制更新问题转换为判别触发函数的取值问题，同时设计了最小触发间隔系数，避免了可能存在的"Zeno行为"；最后，以编队不同的运动模式对算法进行了仿真验证。研究结果表明:所提算法能使无人机编队在机间通信与控制更新次数明显减少的情况下跟踪上目标。      

防御和控制DOS/DDOS攻击新方法的研究

DOS(Denial\|of\|Service)/DDOS(Distributed Denial\|of\|Service)网络攻击不但给被攻 击目标带来麻烦,而且还严重干扰与被攻击目标共享网络的其它流量.利用主动网络将一些计算功能增加到每个中间节点(路由节点、交换机等),提出一个防御和控制DOS/DDOS攻击的机制体系,这个机制体系主要包括以下3个机制 :基于集群的自动鉴别和控制机制、基于集群的主动通告追踪机制和基于管理域的控制合作 机制.基于集群的自动鉴别和控制机制包括对DOS/DDOS网络攻击集群的鉴别策略及控制它们 的速率限制策略.基于集群的主动通告追踪机制则是把这些攻击集群特征通告给上游主动节 点并使之激活当地的速率限制策略.利用该系统,在试验中能够有效地预防和控制DOS/DDOS 攻击.      

事件触发控制在倒立摆系统中的仿真与实验

从理论、仿真、实验3个角度考虑了事件触发控制对于一级直线倒立摆系统的控制效果,进而说明事件触发控制的可行性与实用性。首先,借助线性矩阵不等式给出了事件条件参数的设计方法,并对触发时间间隔下界进行了估计。其次,通过Simulink仿真说明了在无量化效应时理论结果的有效性。最后,通过实验研究了量化效应的影响,发现其对于基于模型控制器的负面作用。实验结果表明,对于实际倒立摆系统,混合型事件条件及零阶保持控制器更加适用,它们可以在保证系统稳定性的前提下有效降低信息的通信频率。上述结果体现了事件触发控制的潜在实用价值。      

基于兴趣划分的内容发布订阅系统关键算法

在基于内容发布订阅系统中,将订阅兴趣在多个代理之间划分是代理负载均衡的重要方法.提出了基于事件空间的K-D树划分方法.通过将事件空间划分成负载相同的区域,优化了系统负载均衡的性能.基于逻辑空间最短距离的概念提出了与划分相关的事件和兴趣路由算法以及单播和多播混和的通知路由方法.两种路由算法减少了事件匹配操作,提高了路由的效率.利用事件空间的区域合并和分裂实现了系统的自组织.实验和与相关工作比较表明,划分方法及其相关算法的引入提高了系统的可伸缩、容错和负载均衡性能.      

基于事件驱动的多飞行器编队协同控制

针对多飞行器系统协同控制问题,研究了基于事件驱动机制的控制设计方法。结合有向通信拓扑和编队位置描述建立了空间多飞行器系统的模型,在飞行器编队中引入事件驱动方法,设计了一般形式的事件触发函数,在非触发时间内利用触发时刻的信息生成了协同控制律,使得飞行器在非持续通信下能够形成三维空间任意给定的队形,并从理论上给出了协同控制问题的稳定性证明。提出的方法不需要飞行器系统的全局信息,飞行器只需要在触发时刻进行通信和控制器的更新,更有利于实际情形中的应用。仿真结果验证了该方法的有效性。     

一种基于攻击距离的对抗样本攻击组筛选方法

黑盒对抗样本生成过程中通常会指定1个攻击组，包括1个原始样本和1个目标样本，使得生成的对抗样本与原始样本范数差别不大，但被分类器识别为目标样本的分类。针对攻击组的攻击难度不同导致攻击不稳定的问题，以图像识别领域为例，设计了基于决策边界长度的攻击距离度量方法，为攻击组的攻击难易程度提供了度量方法。在此基础上，设计了基于攻击距离的对抗样本攻击组筛选方法，在攻击开始前就筛去难以攻击的攻击组，从而实现在不修改攻击算法的前提下，提升攻击效果。实验表明:相比于筛选前的攻击组，筛选后的攻击组的总体效果提升了42.07%，攻击效率提升了24.99%，方差降低了76.23%。利用攻击组的对抗样本生成方法在攻击前先进行攻击组筛选，可以稳定并提高攻击效果。      

多航天器分布式事件触发分组姿态协同控制

在分布式事件触发机制的基础上对多航天器分组姿态协同控制问题进行了研究。系统内包含若干个分组,并且航天器间的信息交互被抽象为无向拓扑。以修正罗德里格斯参数（MRP）描述航天器的姿态,构造了包含姿态和角速度的辅助变量,并设计了分布式的控制输入。在分布式事件触发机制下,对每个航天器设计了触发函数,并结合代数图论和Lyapunov稳定性理论证明了多航天器能够渐近达到分组姿态协同,同时证明了系统内不会发生Zeno现象。仿真结果验证了在分布式事件触发机制下提出的控制输入的有效性。      

非光滑多体系统最大Lyapunov指数的计算方法

结合非光滑力学与非线性动力学的理论给出非光滑多体系统最大Lyapunov指数的数值计算方法.应用第一类Lagrange方法建立具有单边约束非光滑多体系统变拓扑结构动力学方程;应用线性互补理论与方法检测非光滑事件;应用混沌同步方法计算Lyapunov指数.在提高计算速度方面,提出了采用二分搜索法加快搜索速度以及采用调制参数方法加快系统达到同步状态的速度.通过算例说明本文算法的可行性与有效性.      

时间触发CAN总线实时性分析及评估方法

针对目前时间触发控制器局域网(CAN,Controller Area Network)总线缺乏统一评估方法的现状,提出了一套系统建立与评估方案.采用均匀装载算法建立系统调度矩阵,实现了周期信息的实时传输.结合CAN总线的传输机制与时间触发的特点,改进了时间触发系统中非周期信息最坏延迟的计算方法.在此基础上针对不满足系统实时性要求的信息提出了计算其失效概率的方法,建立了时间触发CAN总线系统的设计与评估流程,提出了系统参数调整方案.评估方案能够提高设计效率,利用信息失效概率以及最坏延迟对系统实时性进行分析,使分析结果更加精确、实用.     

异构存储系统中基于能量模型的文件迁移策略

异构存储系统的文件迁移策略要求迁移代价小、执行快,有较强的系统适应能力.研究异构存储系统文件迁移策略的特点,提出了一种基于能量的文件迁移策略.通过建立能量模型体现存储单元上文件访问的频繁程度,通过设计基于概率的迁移触发函数减少访问文件倾向性对异构存储单元间负载平衡性能的负面影响,通过文件迁移与用户访问操作的复合减少了系统调整开销.实验证明,基于能量模型的文件迁移策略比传统的磁盘冷却算法在请求平均处理时间、系统吞吐率方面有15%~20% 的提高.      

多导弹分布式协同制导与控制方法

针对多枚导弹三维空间协同攻击机动目标要求,提出了一种多导弹分布式协同制导与控制方法.基于网络同步原理设计了一种多导弹三维位置同步算法,将目标视作领弹,与攻击导弹组成“领弹-从弹”的拓扑结构,实现了导弹对目标的协同攻击引导.同步算法给出了惯性坐标系导弹3个方向速度的指令,基于坐标变换将其转化为自动驾驶仪可以跟踪的速度及弹道倾角指令.基于切换控制方法设计了导弹自动驾驶仪,实现了多导弹协同制导与控制的闭环仿真.仿真结果验证了该方法的有效性.      

多管理域合作检测DDoS攻击的一个方法

为有效地防御分布式拒绝服务 DDoS(Distributed Denial of Service) 的 攻击,提出了基于多域间入侵检测系统 IDSs(Intrusion Detection Systems) 合作的攻击检测模型.围绕重要网络资源,构建了以〈路由器,IDS〉对为基础的闭合的IDS 合作环,通过环上节点间信息共享和合作组内的警报关联分析,能够在DDoS攻击数据包汇聚成致命攻击流之前捕获攻击特征并采取相关措施.提出了合作环组织方式、共享信息交换方式、警报关联算法以及各节点系统逻辑结构.利用原型多域合作入侵检测 MDCI(Multiple Domains Cooperative Intrusion-detection)系统实施了DDoS攻击实验,针对实验数据分析可以看出,合作环模型有效地提高了IDS系统对DDoS攻击的预警速度.      

一种基于身份的移动自组网认证机制

针对移动自组网无公钥基础设施的特点,采用基于身份的密码学算法、分布式秘密共享算法和椭圆曲线加密算法,实现安全高效的移动节点认证.简单讨论基于身份的数字签名算法;介绍如何使用Lagrange插值公式,实现分布式的系统主密钥;然后给出节点密钥安全分发的模型,并在此模型的基础上,基于椭圆曲线加密算法实现安全的分布式节点密钥签发;给出算法安全性和效率分析;根据双线性对的特点,讨论会话密钥的产生和更新.给出的认证方法,具有分布式实现和安全高效的特点,同时可以非交互式产生一次性会话密钥,适用于分布式移动网络环境.      

高超声速再入钝头体表面热流计算

基于跟踪流线的轴对称比拟法,采用纯工程算法、Euler数值计算与边界层内工程算法相结合的方法,对高超声速再入钝头体的表面热流进行了计算,并将计算结果与风洞实验数据进行了对比,两者吻合较好,验证了两种工程算法在计算高超声速飞行器热环境方面的正确性.将两种工程算法与数值求解N-S方程进行对比,表明工程算法在迎风面的热流计算方面有较高的精度,节约了计算时间,很好地满足高超声速飞行器概念研究和设计的需要.      

基于强化学习的时间触发通信调度方法

未来航空电子系统中将会更广泛地选择基于时间触发的通信机制进行信息传输,以保证信息交互的确定性。如何合理地进行时间触发通信调度设计是时间触发应用于航空电子互连系统的关键。针对时间触发调度的周期性任务,提出了一种基于强化学习的周期调度时刻表生成方法。首先,将流量调度任务转换为树搜索问题,使之具有强化学习所需要的马尔可夫特性;随后,利用基于神经网络的强化学习算法对调度表进行探索,不断缩短延迟时间以优化调度表,且在训练完成后,可以直接使用到消息分布相近的任务中。与使用Yices等可满足模理论（SMT）形式化求解时间触发调度表方法相比,所提方法不会出现无法判定的问题,能够保证时间触发调度设计结果的正确性和优化性。对于包含1 000条消息的大型网络,所提方法的计算速度为SMT方法的数十倍以上,并且调度生成消息的端到端延迟在SMT方法的1%以下,大大提高了消息传输的及时性。      

基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制

针对航天器通信和计算资源约束以及执行器故障场景下的姿态控制问题,提出了一种基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制策略。首先,采用自适应方法估计故障信息、外界扰动等系统中未知参数,并引入事件触发机制,在执行器故障下实现容错控制的同时,节约星载计算机的计算资源。然后,基于李雅普诺夫方法证明了所提出的控制策略保证了闭环系统状态全局一致且最终有界稳定,并能有效避免Zeno现象,保证了执行器故障场景下对姿态的精确控制。最后,应用于航天器的姿态稳定试验,仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于混沌序列加权抽样和排序变换的图像置乱

为增强网络中传输的数字图像信息的安全性,对一类典型的基于混沌排序图像置乱算法——Ye算法进行了研究,给出应用间隔抽样混沌序列置乱图像可以提高混沌排序置乱算法置乱度这一性质,并依据近似熵理论给出其提升的依据.为增加图像置乱算法的密钥空间,结合Shannon加权保密思想,设计了基于加权抽样混沌序列排序图像置乱算法.结果表明,该方法密钥空间大,置乱强度高,抗重构攻击.     

反恐作战的新设备——高性能反恐浮桶侦测系统

鉴于反恐作战的需要，美国海军目前正在评估QinetiQ公司研发的一款高性能浮桶侦测系统。美国海军之所以对这套系统有兴趣，主要是因为层出不穷的小型船艇攻击事件，早在1995年时，泰米尔“猛虎”组织（Tamil Tigers）武装团体就曾经用自杀蛙人破坏了大量斯里兰卡海军的船艇，而最著名的则是美国的“科尔”号（Cole）驱逐舰在2000年10月于也门遭受自杀小艇的攻击，造成17名美国海军官兵死亡，另外在充满暴力攻击的2004年，曾经在以色列和伊拉克发生过好多起小型船艇的恐怖攻击事件，     

基于知识推理的航天器自主故障诊断方法

面向深空探测这类型号任务,提出一种基于知识推理的航天器自主故障诊断的智能方法,采取直接线性存储的知识库结构、主动监测事实更新并触发推理以及基于散列算法的事实管理三项关键技术,适用于航天器硬件处理能力和存储容量受限的应用环境.采用C语言在基于TSC695处理器的嵌入式系统上实现了该故障诊断方法,实验的结果表明该方法有效.