基于ADS-B的航空器测高系统误差评估方法

针对基于广播式自动相关监视(ADS-B)数据的航空器高度保持性能监控中测高系统误差准确评估问题,提出了基于核平滑和混合正态分布模型的数据平滑和拟合分析方法。提出了ADS-B信息低分辨率高度数据的核平滑方法,通过比较分析得到了数据平滑的最优窗宽,基于实测数据的分析证明了该方法对于航空器测高系统误差评价的有效性。针对航空器使用的2套独立的测高学设备具有不同的高度保持性能分布特征的问题,提出了基于混合正态分布模型的拟合分析方法,实测结果表明,该方法可以准确拟合航空器测高系统误差的双峰特征。本文所提出的方法已经在中国RVSM航空器高度保持性能的实际分析中使用,分析结果满足国际民航组织的相关要求。     

TLE预报精度改进及碰撞预警中的应用

双行根数（Two Line Elements,TLE）是目前唯一公开发布且编目最完备的地球轨道空间目标编目数据,由于其根数的特殊性,必须配合SGP4/SDP4 使用导致其预报精度有限. 通过对TLE+SGP4/SDP4预报误差源的分析,利用历史TLE数据生成准观测数据重新进行轨道拟合,针对不同轨道高度和面积质量比情况,确定相应拟合周期,得出了基于弹道系数先验信息有效确定面积质量比的经验方法,对多个独立时段拟合后轨道根数结合数值方法的预报误差进行统计,结果表明,拟合后的TLE根数预报精度与稳定性有很大程度提升. 利用实例对拟合TLE在碰撞预警中的应用进行分析,认为该方法对航天工程中碰撞预警置信度的提高具有重要意义.      

基于Bayesian-MCMC估计的隐身飞机RCS模型优化

对隐身飞机的雷达散射截面(RCS)统计建模时,传统方法通过直接计算RCS样本的统计特征估计模型参数,可能会产生较大的拟合误差。本文提出采用贝叶斯-蒙特卡罗(Bayesian-MCMC )方法提高起伏模型的参数估计精度,从而减小模型的拟合误差。首先将卡方分布模型和对数正态分布模型进行贝叶斯推导,得到其特征参数的后验估计表达式。然后采用MCMC算法构造后验分布的马尔可夫链,从而计算特征参数的估计值。最后通过比较2种方法的拟合曲线及其误差可知,本文方法适用于2种起伏模型,模型参数的估计误差比收敛误差门限值低1~2个数量级,2种分布模型的拟合精度均提高50%以上。      

基于CO2测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO₂观测数据,分析CO₂浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO₂浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO₂浓度数据分别进行拟合,生成相应的拟合参数.然后,将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件,结合拟合公式构建全球CO₂浓度经验计算模块,并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中,对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现,优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%,而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度.      

利用精化误差进行危险交会分析

空间碎片碰撞预警工作主要针对的是可监测的较大空间碎片, 预测航天器与碎片之间的碰撞风险, 并根据一定的预警判据来评估风险的大小, 进而做出合理的轨道规避决策. 碰撞概率是碰撞风险评估的重要依据. 复合体尺寸、交会距离和误差是影响碰撞概率的三个决定性因素. 当复合体尺寸与交会距离差别不大时, 误差因素对碰撞概率结果起着决定性的作用. 在利用整天误差计算碰撞概率的基础上, 提出了利用精化误差计算碰撞概率的方法, 在危险交会分析中取得了良好的效果.      

基于NTCM-BC模型的全球卫星导航系统单频电离层延迟修正

选择NTCM-BC模型作为单频电离层延迟修正模型,通过非线性最小二乘拟合的方法,利用提前一天预测的电离层图（COPG文件）,计算得到NTCM-BC模型修正系数;利用Klobuchar模型和IGS发布的GIM数据对NTCM-BC模型进行比较和分析.对太阳活动高、中、低年实测数据的分析结果表明:全球平均水平上,NTCM-BC模型的电离层延迟修正性能明显优于Klobuchar模型,NTCM-BC模型的TEC平均误差和均方根误差比Klobuchar模型分别下降了41%和30%;模型的TEC计算误差与太阳活动剧烈程度成正相关,即太阳活动高年模型误差较大,太阳活动低年误差相对较低.相较于磁静日,磁扰日期间Klobuchar模型和NCTM模型的误差均有一定程度的增加.此外,模型的电离层修正误差同时存在明显的纬度、季节和地方时差异.      

基于比例风险模型的环境折合系数确定方法

研究了环境因素对产品可靠性的影响,给出了一种综合利用变环境试验数据的环境折合系数确定方法.利用比例风险模型来描述可靠性与环境因素的关系,给出了环境因素对产品可靠性影响的定量度量.基于该模型给出了常用寿命分布下的环境折合系数的统计推断方法.针对复杂环境,采用广义比例风险模型用于度量不同环境因素之间对可靠性的交互作用.利用径向基函数法来拟合该模型,并对模型进行了优化.计算实例表明:该方法合理可行,便于工程应用.     

基于比例失效率模型的退化数据分析方法

利用产品的性能退化数据进行可靠性评估是一个解决失效寿命数据不充分的重要方法.在分析产品的失效率与失效阀值具有紧密相关性的基础上,通过引入比例失效率模型描述产品可靠性与失效阀值的关系,并根据产品寿命分布与退化量分布之间的关系建立了退化分析模型.在不假定物理退化轨迹模型和退化量分布的情况下,利用产品的退化信息获得产品在不同检测时刻和失效阀值下的可靠度,通过分布拟合方法获得未知参数的估计值,进而对产品进行可靠性评估.该方法不仅放松了模型的假设条件,也适于处理一些具有非平衡数据结构的退化数据,具有较广的适应性.最后,通过实例进行了不同方法的比较,验证了该方法的有效性.     

S06钢疲劳性能及其概率特性

采用高频疲劳试验方法对新型高强度沉淀硬化马氏体不锈钢S06钢中长寿命疲劳性能进行了测量,结果发现:随着应力水平降低,疲劳裂纹趋向于从试样内部萌生,裂纹内部萌生的试样寿命高于表面萌生的试样寿命,二者分散性很大.为了对S06钢长寿命疲劳数据概率特性进行正确的评估,主要对内部萌生机制下的数据进行了研究:利用定时截尾数据的极大似然估计方法和定时截尾数据的柯尔莫哥洛夫检验方法对长寿命区一定应力水平下的疲劳寿命概率分布情况进行了研究,结果表明疲劳寿命服从对数正态分布;采用考虑越出数据的极大似然方法对S06钢应力寿命数据进行拟合,建立了P-S-N曲线模型;利用P-S-N曲线对S06钢长寿命区疲劳强度概率分布进行了讨论.     

TLE数据误差与基于TLE数据的交会预报分析

目前普遍使用TLE数据进行在轨物体的危险交会预报. TLE数据误差不仅会影响交会预报的准确性, 还是计算碰撞概率的必要参数, 因此, 只有准确估计TLE数据误差, 才能得到可信的碰撞概率数值. 本文采用两种方法, 即TLE数据自比和与高精度轨道预报数据相比较的方法, 计算TLE数据误差, 并分别利用TLE数据和高精度数据计算同一交会, 比较两种数据预报的交会结果差异. 结果表明, 采用TLE根数自比方法的计算误差偏小, 而使用精轨数据作为校准数据所得到的TLE误差更接近真实误差, 计算碰撞概率更为合理, 有利于减少虚警.      

空间碎片预警中的碰撞概率方法研究

由于空间碎片对飞行在地球轨道上的航天器危害日益严重,所以必须采取一些有效的防护措施,对于那些直径大于10 cm的碎片,通常是采用主动规避的方法来进行防护.为了避免传统的Box判据造成的过多错误预警,碰撞概率模型开始被应用于空间碎片预警,本文以空间站为例,将碰撞概率方法与传统Box区域判定法进行比较,介绍碰撞概率计算模型的建立方法,基于位置误差矩阵的碰撞概率Pc的算法,并针对实际交会事例进行了计算和分析.      

基于拉普拉斯变换的空间目标碰撞概率计算方法

碰撞概率是空间碎片碰撞预警中评判碰撞发生可能性大小的重要依据,对航天器机动规避具有重要意义。基于拉普拉斯变换的碰撞概率计算方法利用拉普拉斯变换以及幂级数的定义,推导了在短时间接近情况下碰撞概率的幂级数表达式,分析了碰撞概率的截断误差并确定了在不同精度要求下的幂级数项数。针对2009年美俄卫星的碰撞事件,将基于拉普拉斯变换的碰撞概率计算结果与Chan方法、Monte Carlo方法的计算结果进行比较,验证了基于拉普拉斯变换方法在计算精度上的优势。      

Methods of spacecraft impulsive relative hovering and trajectory safety analysis

Based on the analytical solutions of T-H equations and its state transition matrix form,the open-loop control method of spacecraft impulsive relative hovering was studied,which is promising for practical engineering use.The true anomaly intervals of the hovering impulse were optimized by the nonlinear mathematical programming.Based on the calculation of collision probability,the method of safety analysis and risk management was proposed.The numerical simulations show that the introduced relative hovering method can be used for circular and elliptical reference orbits hovering.Furthermore,the local optimal solution can be obtained by applying the true anomaly intervals optimization method.The maximum collision probability and the minimum relative distance nearly appear at the same time.And,the smaller the relative distance is,the larger the collision probability.     

基于随机点模拟方法分析空间目标危险交会

基于SGP4模型在空间目标轨道预报中的应用, 在预报的位置速度信息和误差 信息基础上, 提出一种空间两目标碰撞预警的分析方法, 即随机点模拟方法. 与传统的交会平面积分方法相比, 其主要有两点不同: 一是在误差信息中考虑 了误差均值的影响, 即误差椭球不再以预报位置为中心分布; 二是在分析方 法上侧重于真实模拟可能的交会情形, 而不忽略任一方向上的误差. 通过算例分 析验证了该方法的可行性, 结果表明误差均值的非零性使得最大碰撞概率不 一定出现在预报的最近交会距离时刻. 同时仿真结果还表明, 两目标在相对速 度方向上的相对位置仍然存在误差, 这可能造成随机点模拟的碰撞概率计算 值较交会平面积分方法偏小. 不同的碰撞预警分析方法对应不同的预警门限, 根据文中实例, 初步确定10-6为随机点模拟方法的红色预警值.      

高纬极区离子速度分布函数多项式解及非相干散射谱计算

为更准确描述高纬极区电离层离子分布函数, 分别采用弛豫碰撞模型和麦克斯韦分子碰撞模型描述玻耳兹曼方程的碰撞项, 通过求解两种模型下的输运方程, 分别得到两种模型基于麦克斯韦分布下离子分布函数的13矩近似和基于双麦克斯韦分布下离子分布函数的16矩近似. 进一步根据Sheffield理论, 利用两种模型下离子分布函数的13矩和16矩近似, 计算了非相干散射谱, 并对结果进行对比分析. 结果表明, 相对于弛豫碰撞模型, 麦克斯韦分子碰撞模型能更好地描述电离层E层中离子与中性成分的相互作用. 相对于离子分布函数的13矩近似, 16矩近似更适合描述由于电场增加导致的离子温度各向异性特征.      

一种复杂系统风险概率评估方法

对有限样本条件下的复杂系统风险发生概率评估问题,提出了小样本评估小概率事件的建模方法,通过非线性函数逼近累积概率与临界参数极值之间的映射关系.建立了风险概率评估数学模型,通过非线性回归方法得到了风险概率评估基本模型.对原始数据在评估模型中产生的误差作为目标函数,建立概率评估优化模型.并采用改进遗传算法对分布参数进行优化计算.以飞行安全为例,实现了有限样本情况下的飞行风险概率的计算,并通过最优逼近函数提高了计算精度.      

Assessment of space debris collisions against spacecraft with deorbit devices

Deorbit methods have been employed to remove space debris from orbit. One of these methods is to utilize atmospheric drag. In this method, a membrane loaded into the spacecraft is expanded to increase atmospheric drag. Although this method works without requiring fuel, it has the disadvantage of a high risk of collision with other debris owing to its larger area. Area-time product and energy-to-mass ratio have been used as indices to evaluate the risk of collisions between spacecraft and debris. However, the evaluation criteria were uncertain because these two indices are independent. In this paper, we propose a new evaluation index, single-sheet collision factor (SSCF), that comprehensively evaluates the collision risk based on experiments simulating debris collisions. As a result of the hypervelocity collision experiment, we found that the penetration-area mass of the spacecraft affects the severity of debris collisions. In this paper, the product of the exterior-wall thickness, the exterior-wall density, and the space debris cross-sectional area defines the penetration-area mass of the spacecraft. Furthermore, we compare and evaluate various deorbit methods using SSCF. The comparison showed that the penetration-area mass of the SSCF could be quantitatively determined for the debris-collision severity due to difference in structural materials of spacecraft. SSCF will be used to create rules for space-environment conservation with the expansion of the space-development market.     

基于UR-MTPGERT网络模型的复杂装备风险传导分析

针对复杂装备风险传导关系描述不清晰的问题,构建了风险传导不确定随机多传递参量图形评审技术（UR-MTPGERT）网络模型。首先,基于机会理论,定义了不确定随机变量的矩母函数,并在此基础上构建了UR-MTPGERT网络模型。其次,为刻画复杂装备的微观风险信息,在模型中引入系统风险度、风险元重要度、风险路径关联度等解析参数。然后,求解矩母函数时,采用德尔菲法处理专家经验数据,得到经验不确定分布,并利用极大熵模型处理随机数据,得到概率密度函数;引入矩阵分析技术,解决了网络拓扑分析困难的问题,在此基础上计算网络参数。最后,对某型飞机进行安全性分析,结果表明,该模型能清晰反映风险元间的关系,可以为复杂装备的风险分析、预判和安全控制提供借鉴。      

故障模式下的空间交会防撞设计

  针对轨道平面内某一方向发动机失效的情况,利用控制力的耦合效应,设计了航天器轨道转移的控制律。利用碰撞概率分析航天器发生碰撞的可能性,并结合燃料消耗选择一条碰撞概率小于给定的警戒值且燃料最优的转移轨道。最后通过仿真验证了发动机失效情况下的主动防撞机动控制律的有效性。     

飞机装配坐标系公共基准点粗差检测与修正方法

针对因厂房地基下沉等因素引起的飞机数字化装配体系中公共基准点产生偏差的问题,提出一种飞机装配坐标系公共基准点粗差检测与校正方法.该方法通过泰勒展开布尔沙-沃尔夫空间坐标转换模型形成了适用于大旋转角的坐标系转换线性模型,并结合拟准检定法检测并估算偏差较大的基准点,进而给出了公共基准点在装配全局坐标系下的坐标修正模型.采用激光跟踪仪对公共基准点进行测量并用上述方法修正公共基准点坐标.实验证明,该方法能有效检测粗差并修正,提高飞机装配坐标系的精度.