摘要:随着低空经济改革的不断推进，低空飞行器呈现高密度、异构性、自主性、有人/无人混合运行的新局面。低空监视作为低空运行安全的重要保障，可以保证飞行器低空安全高效运行。为解决当前低空监视手段不健全的问题，需要针对复杂的低空环境，构建涵盖有人/无人混合运行的低空无盲区监视技术体系。首先，从低空监视的概念及其发展趋势分析了当前低空监视存在的难点问题，包括机载设备重量体积功耗限制、信道资源紧张和飞行器差异性；其次，从协作监视技术和非协作监视技术两个角度出发，阐述了国内外关键监视技术现状，并对各技术手段的相关特性进行系统化的对比总结；最后，面向新一代低空监视的发展，探讨未来协作监视、非协作监视以及融合监视技术的发展方向，以期对未来低空飞行器安全运行有一定的指导意义。

摘要:机场场面运行涉及多运行主体以及复杂运行环境，在机场结构相对固定的前提下，机场场面逐渐成为空中交通网络运行效率提升的瓶颈区域。提出了一种基于Nagel-Schreckenberg（NS）元胞自动机的机场场面运行模型，即Airport surface operations model （ASOM）。ASOM考虑了4项航空器运行特征以及车辆与航空器在机场场面的协同运行机制，可在精准刻画机场场面区域航空器滑行道以及车辆行车道结构的同时，高精度模拟机场场面多类型航空器以及车辆运行过程，实现复杂机场“机-车-场道”协同仿真。使用深圳宝安国际机场的真实机场结构数据以及广播式自动相关监视（Automatic dependent surveillance-broadcast， ADS-B）数据进行案例分析，仿真结果与真实运行的数据之间的误差平均值（Average magnitude of error， AME）小于6%，证明了ASOM可以准确写实刻画机场场面运行。

摘要:针对当前无人机（Unmanned aerial vehicle， UAV）在城市范围内运行的噪声、成本与安全问题，对空域进行高度层划分，并在空气动力学等约束条件下，提出了基于噪声保护区的运行成本与坠地风险模型，满足UAV标准运行条件的同时，不仅降低其对环境和地面人群的噪声影响，还降低其运行成本与坠地风险。在此基础上，基于噪声保护区，运用改进Dubins路径规划方法，将Dubins路径规划思想与几何圆的切线相结合，增设节点处理，丰富UAV运行可选路径，并对路径进行优化处理。以Dijkstra算法为搜索最佳路径算法、总成本最低为目标，搜索一条UAV最佳运行路径，并与A*算法进行研究比对。仿真实验验证了所提模型和改进方法的有效性，降低了UAV运行噪声影响，缩减了运行成本，提高了运行的安全性和效率。据算例得出结果：双旋翼中型UAV（质量约15 kg，桨盘面积约1.313 m²）最佳运行高度为40 m，其运行最低总成本为5.42，较其余高度层运行总成本最高减少37.56%，最低减少5.91%。

摘要:为了更加科学合理地配置机场航班时刻资源，提出了一种考虑中转旅客的航班时刻优化方法。首先，结合中转旅客出行选择特征，构建考虑候选行程有效性的航班衔接质量评估模型。其次，建立最大化航班衔接质量和最小化航班时刻最大偏移量的双目标模型，增加考虑中转旅客类型、衔接航班类型等约束条件，使优化模型更加符合枢纽机场实际中转运行情况。最后，设计了自适应大邻域搜索算法进行求解，并将模型及算法应用于北京首都国际机场进行案例分析。结果表明，所构建的模型能依据中转旅客在时间、空间、直飞航班影响以及服务质量上的选择差异，为旅客提供更多的有效行程，增加了可达机场数量，提高了机场连通性。优化后的旅客有效行程和航班衔接质量分别提升了21.74%和21.57%，约79.66%的航班衔接质量得到改善。可见，优化后的航班时刻在时空分布上更合理，能显著提高航班之间的衔接质量，为中转旅客提供更多的有效换乘选择。

摘要:航空运输需求持续增长与枢纽终端区空域资源紧张的情况日益凸显，本文提出了一种限界优化的动态规划方法（Dynamic programming approach to limit optimization，DPALO）求解终端区航班着陆调度问题（Arrived landing problem， ALP）。首先建立了时间窗约束的航班着陆调度的离散化数学模型，推导了固定顺序下求解ALP的递推公式，并结合ALP问题特点，限界优化航班时间窗，并证明了所提方法不影响模型最优值的求解。其次，运用精英遗传算法、粒子群算法、线性循环交换和线性循环插空等方法调整航班序列，以期求得较优解。最后在 OR-Library 数据集进行验证，实验结果表明，采用精英遗传算法调整航班着陆序列，DPALO的计算结果优于已知最优解（（Best known values，BKV）、仿生算法（Bionic algorithm，BA）和位移决策算法（Displacement decision algorthm， DDA），与细胞自动机优化方法（Cellular automaton optimization，CAO）、紧致子序列算法（Compact subsequence algorithm，CSA）和滚动时域-混合粒子群优化-局部搜索算法（Rolling horizon framework hybrid particle swarm optimization local search algorithm， RH-HPSO-LS）的结果相近；DPALO的时间效率在小样本数据集上时间效率达到毫秒级，在大样本数据集上相较于CSA、CAO和RH-HPSO-LS分别提升了76.88%、89.11%和78.28%。

摘要:针对强背景噪声下航空发动机气路静电信号降噪问题，提出一种基于本征模态函数（Intrinsic modal function， IMF）自适应滤波联合小波阈值的静电信号降噪方法。首先，通过互补集合经验模态分解（Complementary ensemble empirical mode decomposition， CEEMD）方法对原始静电信号进行分解，得到若干平稳IMF；然后，构建最优重构自适应低通滤波算法筛选以有用信号为主的IMF分量；再对以噪声为主的IMF分量通过小波阈值算法进行降噪处理；最后，将上述信号重构，得到降噪后的静电信号。进行了仿真和实测信号验证并与传统方法对比，结果表明，该方法对发动机气路静电信号降噪效果良好，在微弱故障信号提取方面更具优越性。

摘要:针对存在未知不确定性的倾转旋翼机从直升机模态到固定翼模态的模型切换稳定性问题，提出了基于模型依赖平均驻留时间方法的模糊自适应切换控制策略。首先，建立了倾转旋翼机的纵向运动系统模型。其次，针对倾转旋翼机过渡过程存在的未知不确定性，采用模糊逻辑系统对其不确定项进行逼近；针对存在不确定性的倾转旋翼机平稳切换问题，提出了模糊自适应鲁棒飞行控制策略，并从理论分析层面严格证明了所提出控制器的有效性。最后，仿真结果表明所提出的控制方法能够有效地实现倾转旋翼机模态转换过程中的轨迹跟踪，提升了飞行器的操控性和稳定性。

摘要:多旋翼无人机空中对接技术可以解决多旋翼无人机续航能力有限、载荷小等问题，对提高多旋翼无人机的续航能力和任务效率有重要意义。但是当前多旋翼无人机空中对接方案成本高昂且对接精度差，易受环境限制。本文提出了一种基于单目视觉与惯性测量单元（Inertial measuring unit， IMU）融合定位并结合最优轨迹控制的空中对接方案，在保证对接精度的同时大幅降低成本。首先相机通过AprilTag对目标进行识别定位，再通过非线性优化对重投影误差进行最小化优化，并借助状态误差卡尔曼滤波器（Error state Kalman filter， ESKF）更准确地消除IMU的零偏，提高融合定位的精度；然后根据线性二次型控制器（Linear quadratic regulator， LQR）设计了最优对接控制器，并结合无人机的动力学模型，直接输出多旋翼无人机的姿态控制量，实现更加安全的空中对接；最后在四旋翼无人机平台上进行实验验证，顺利完成了空中对接任务，证明了该方法的可行性。

摘要:采用本征正交分解（Proper orthogonal decomposition， POD）方法对具有轴承非线性的壳体-电机-转子耦合系统进行模型降阶，以降低计算成本。针对壳体-电机-转子耦合结构采用有限元法建立起192自由度的转子系统模型。介绍了POD法的基本原理及其在壳体-电机-转子耦合系统中的具体表达。通过应用POD方法，壳体-电机-转子耦合系统分别减少到20、18和15个自由度，计算时间降低94%以上，且对比了简化系统和原系统的时间历程曲线和频谱，证明了POD方法的高效性和准确性。

摘要:针对无人机平面搜索任务，本文采用动态传感器模型，研究了基于误差梯度的理论搜索策略。由于理论搜索策略存在局部最优情况，无人机在执行任务过程中会停止运动，导致搜索中断无法完成搜索任务，因此本文研究了基于理论搜索策略的改进搜索策略。采用改进搜索策略可以使平面任务区域内的所有点都被搜索且任意一点都达到期望的搜索度。在此基础上，为了减小冗余搜索度和缩短任务执行时间，本文提出了结合区域划分思想的搜索策略。最后，单无人机搜索和多无人机搜索仿真实验结果验证了本文研究的搜索策略的可行性。

摘要:针对无人直升机系统，在保证姿态约束在指定范围的前提下，研究其全自由度控制问题。考虑到系统的强非线性、强耦合性、欠驱动性以及中间控制变量需保证有界等特点，文中通过反馈线性化方法降低非线性和耦合性的强度，设计控制器直接控制3个位置自由度和偏航角。同时，利用障碍Lyapunov函数方法局部约束中间变量来间接控制滚转角和俯仰角，保证直升机姿态有界。结合非线性系统控制理论，在保证跟踪误差系统有界的同时对系统进行稳定性分析。最后通过模拟实例验证了该方法的有效性。

摘要:针对弹道导弹大机动突防后精确制导面临的落点预测需求，提出了一种考虑高阶扰动引力影响的导弹落点解析预报模型。将落点预报问题分解为标准落点预报和落点偏差预报两部分，标准落点预报由二体椭圆轨道理论解析求解，落点偏差预报通过构建的状态空间摄动模型进行求解。基于球谐函数换极法建立高阶扰动引力矢量在轨道柱坐标系中的表达式，并推导得到由F函数和G函数等两类核函数组成的落点偏差预报解析模型以及F函数和G函数的递推公式。该模型无需射前准备工作，相对已有方法具有使用灵活、鲁棒性好等特点。数值仿真结果表明本文提出的落点预测模型残差均值为11.2 m，相对误差小于0.1%，预测耗时小于100 ms，能够为制导算法设计提供支撑，具有一定的工程应用价值。

摘要:为提高传统基于测距测角信息的主从式无人机协同导航算法下僚机定位精度，考虑低成本僚机测量设备存在测角测距误差的情况下，重新构建了主从式无人机协同导航误差模型，对僚机导航定位误差与测距测角误差进行估计与补偿，推导了状态方程和量测方程，采用卡尔曼滤波的方式实现算法。仿真结果表明，对于陀螺漂移10 （°）/h水平的低精度微机电系统（Micro electromechanical system，MEMS）僚机惯导，在单长机量测组合下，其500 s内东、北向速度误差均方根（Root mean square， RMS）分别为0.25 m/s和0.74 m/s；纬度和经度误差RMS分别为17.10 m和9.10 m，相比传统算法速度精度提高3~10倍，位置精度提高约20倍；在双长机量测组合下僚机定位精度接近长机水平。对僚机测距误差估计精度较高，测角误差估计精度受僚机自身航向精度影响，若存在磁航向等外部航向基准，能够进一步提升测角误差估计精度。

摘要:通过星间链路（Inter satellite link， ISL）实现遥感卫星和中继卫星互联互通，能将天基遥感数据及时落地，缩短遥感反应时间，故对卫星遥感与中继联合调度问题进行研究。在对上述问题进行描述和分析的基础上，以最大化总的任务优先级为目标函数，以可见时间窗、服务时间窗口以及唯一性等为约束条件构建遥感与中继联合调度规划模型。本文设计了基于自适应大规模邻域搜索框架的联合调度优化算法（Adaptive large-scale neighborhood search based joint scheduling algorithm Ⅱ，ALNS-JS-Ⅱ）。该算法利用任务分配算子将多星调度分解成多个单星并行调度子问题，利用自适应的方法对所有算子进行选择，整个算法实现了遥感调度和中继调度间有效交互。为了验证ALNS-JS-Ⅱ算法的有效性，与遥感中继高耦合的自适应大规模邻域索算法（Adaptive large neighborhood search based highly coupled joint scheduling algorithm Ⅰ，ALNS-JS-Ⅰ）及基于自适应大规模邻域搜索的遥感中继分两阶段独立调度算法（Two stage ALNS， Ts-ALNS）等在多种任务场景下进行对比实验。实验结果表明，ALNS-JS-Ⅱ算法相比ALNS-JS-Ⅰ算法以及Ts-ALNS算法在算法求解收益上分别提高4.58%和1.48%，在求解效率上增加20%~30%。ALNS-JS-Ⅱ算法对遥感与中继资源联合调度问题有更好的求解能力。

摘要:针对空天飞行器爬升过程中，传统固定构型难以兼顾高低速气动性能的问题，提出了一种空天飞行器变构型调节策略。首先，提出了一种翼面伸缩的变构型方式，构建了含有表征飞行器构型变量的气动代理模型；其次，基于气动代理模型对飞行器气动和配平特性进行分析，根据气动特性制定构型变化策略，根据配平特性提出质心位置匹配设计；然后，根据构型变量和爬升飞行平衡的约束，以控制输入最小为目标，优化得到了合适的质心位置，为不同构型的质心位置设计提供参考；最后，仿真结果表明变构型空天飞行器在爬升飞行任务中起到分担舵面负载和减小油门的作用，增加了飞行过程的稳定性。

摘要:针对采用空中平台进行直接对接的新型无人机（Unmanned aerial vehicle， UAV）回收方法进行了气动干扰仿真与对接路径研究。在对接回收过程中，UAV需要从远方逐渐接近空中平台。在UAV靠拢平台的过程中，会受到平台翼尖尾涡的影响。如何使UAV以正确的路径接近空中平台是能否成功回收的关键。主要从气动特性方面出发，首先通过计算流体力学（Computational fluid dynamics， CFD）仿真研究分析了UAV沿不同路径与空中平台进行对接回收时的气动性能变化规律，然后使用代理模型对产生的气动干扰进行拟合分析，得出UAV气动干扰在空中平台周围的空间分布。随后针对不同对接路径的气动干扰，使用MATLAB构建了一种抗干扰滑模控制器，并对不同路径下的对接过程进行对比仿真验证。研究结果表明，进近对接过程中UAV从平台前方向后方减速接近平台时气动性能最为稳定。

摘要:为了对搅拌摩擦焊（Friction stir welding， FSW）焊接结构进行快速准确的裂纹扩展寿命预测，提出了一种基于支持向量回归（Support vector regression， SVR）的2195铝锂合金FSW接头疲劳裂纹扩展寿命预测方法。首先，通过疲劳裂纹扩展试验和有限元仿真得到Paris裂纹扩展模型常数及裂纹尖端应力强度因子数据集；然后基于SVR模型建立应力强度因子预测模型，并采用粒子群优化（Particle swarm optimization， PSO）算法优化SVR模型的超参数；最后，基于构建的应力强度因子预测模型和Paris模型进行裂纹扩展寿命预测。结果表明：优化后的PSO-SVR模型能够快速、准确地预测裂纹尖端应力强度因子，在测试集上的决定系数R²可以达到0.999 5，高于未优化SVR模型的0.954；该方法裂纹扩展寿命预测结果与有限元仿真结果进行对比，最大误差小于5%，验证了方法的准确性。

摘要:机场土质道面易松散，耐磨性能较差，产生大量扬尘和碎屑，危害飞机安全。提出将改性聚脲、环氧树脂以及硅烷渗透型材料作为机场土质道面功能性面层，对其进行复合因素作用下的磨耗试验，并通过扫描电子显微镜分析3种功能性面层材料的作用机理，分析功能性面层材料在机场土质跑道的适用性。结果表明，冻融-紫外线老化下，与对比组相比，改性聚脲组质量损失降低59.7%，硅烷组降低32.4%，环氧树脂组降低16.1%，改性聚脲在冻融-紫外线中的改善作用较明显；环氧树脂在前期虽具有较高的耐磨性能，但20转磨耗之后，其损耗质量快速增长，不建议长期使用；经过冻融-火焰喷蚀、干湿循环-紫外线老化以及干湿循环-火焰喷蚀试验后，硅烷组的质量损失较小，分别为4.28%、3.02%、2.87%，均远低于对比组，干湿循环及火焰喷蚀后硅烷组显示出了良好的防水及耐高温性能，硅烷材料对面层使用性能强化作用明显。硅烷/改性聚脲组合强度在干湿循环后相较初始值降幅仅23.1%，冻融循环后仅下降29.5%，其抗干湿循环及抗冻性能提升较大。研究结果可为机场土质道面功能性面层材料的选择提供借鉴。

摘要:首先，以3条支链直线交于同一点为判定准则，推导机器人的Hunt奇异曲面方程。研究发现，3-转动副移动副转动副（Revolute-joint，prismatic-joint，revolute-joint，RPR）平面并联机器人的Hunt奇异曲面方程与运用雅可比代数法得到的输出奇异曲面方程完全相同，即两曲面重合。其次，辨识出该机器人4类较常见的Hunt奇异位形，并将它们的奇异轨迹描绘在奇异曲面上，有助于揭示奇异位形之间的关系。接着，设计了3种特殊结构的3-RPR平面并联机器人，并分析了它们的Hunt奇异性。结果表明，该机器人的Hunt奇异特性对几何结构的依赖性较大。最后，通过虚拟样机和实物样机的实验，论证了3-RPR平面并联机器人的Hunt奇异性。

摘要:大跨度柔性光伏支架阵列作为一种新型风敏感结构体系，其纵横向流场干扰相比单排光伏更为复杂，这导致光伏阵列极值风荷载难以准确预测。以某典型柔性光伏示范项目为例，首先基于大涡模拟方法分析了单排柔性光伏表面脉动风压特性，与风洞试验的对比验证了有效性。基于Davenport法和Sadek-Simiu算法确定了非高斯风荷载峰值因子，揭示了光伏阵列极值风荷载分布规律。最后系统探讨了阵列风荷载的干扰作用，从谱分析方法和流场驱动角度对阵列风荷载干扰机理进行了探讨。研究表明大跨度柔性光伏支架阵列极值风荷载在迎风二排处达到最小值，阵列的干扰效应呈现出各排光伏板静力风荷载逐渐减小且脉动风荷载逐渐增大；0°和180°风向角下柔性光伏阵列风压干扰系数极值分别为1.09和1.14，弯矩干扰系数极值分别为 1.49和1.21。