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城市空中交通领域关键技术创新与挑战

航空学报 2024年

作者：余莎莎陈星雨西华大学航空航天学院

低空经济作为战略性新兴产业，是产业发展的新赛道，经济增长的新引擎。城市空中交通（Urban Air Mobility， UAM）是低空经济的重要组成部分。为了解城市空中交通领域的关键技术研究趋势和发展动态，识别研究的热点主题，揭示城市空中... 详细信息

低空经济作为战略性新兴产业，是产业发展的新赛道，经济增长的新引擎。城市空中交通（Urban Air Mobility， UAM）是低空经济的重要组成部分。为了解城市空中交通领域的关键技术研究趋势和发展动态，识别研究的热点主题，揭示城市空中交通领域的知识结构和研究范畴，技术演进路径和未来应用前景，以获得当前城市空中交通研究的深入洞见，对Web of Science核心合集（WoSCC）数据库检索和提取的数据进行文献计量分析。结果表明，城市空中交通研究从技术（如避撞技术、高精度定位、垂直起降巡航能力，动态空域划分等）延伸到运营（如城市空中交通运营、无人机物流航线网络，超局部天气预报）以及低噪音着陆条件和消费者接受度，形成了一个全面的框架，目的是实现安全、高效、环保的城市空中交通系统，这些关键技术面临着解决城市低空复杂性的独特挑战，并且在城市空中交通发展过程中，应加强对空中交通管理和环境影响的重视。

关键词：避撞技术高精度定位垂直起降巡航能力动态空域划分无人机物流航线网络超局部天气预报低噪音着陆条件消费者接受度

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共轴高速直升机增益自适应多模式切换控制

航空学报 2024年第9期45卷 211-228页

作者：郑峰婴沈志敏李雅琴徐楷钊王新华南京航空航天大学航天学院南京210016 南京航空航天大学自动化学院南京210016

针对共轴双旋翼高速直升机非线性强耦合多模式切换稳定控制问题,提出一种基于增益自适应的平均驻留时间切换控制策略。首先,根据共轴高速直升机动力学模型,分析其舵面操纵特性,构建多模式增益自适应切换控制结构。提出非仿射非线性小增... 详细信息

针对共轴双旋翼高速直升机非线性强耦合多模式切换稳定控制问题,提出一种基于增益自适应的平均驻留时间切换控制策略。首先,根据共轴高速直升机动力学模型,分析其舵面操纵特性,构建多模式增益自适应切换控制结构。提出非仿射非线性小增益高频滤波自适应律,可快速补偿多模式切换的不确定性并降低高频噪声以保证系统的稳态和暂态性能。然后,建立包含不确定项的切换子模型集,结合自适应增益设计平均驻留时间切换控制律,基于小增益定理和Lyapunov稳定性理论证明该闭环系统的控制稳定性,保证共轴高速直升机低速-过渡-高速全模式下的稳定切换控制。最后,通过与现有控制方法的比较,验证了所提出的控制策略的可行性和有效性。

关键词：共轴高速直升机非线性小增益自适应控制平均驻留时间切换控制

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基于综合赋权的目标可攻击价值综合评估排序

北京航空航天大学学报 2024年第5期50卷 1731-1737页

作者：孙学安王寅周齐贤南京航空航天大学航天学院南京211106

智能化时代的战争中,无人作战能力愈发成为评判大国军事实力的重要指标,无人机在完成自主攻击任务时,需要对当前战场环境下敌对方空地军事目标的打击价值进行评估排序。根据战场态势下敌方空中目标及地面目标对己方的威胁程度,确定目标... 详细信息

智能化时代的战争中,无人作战能力愈发成为评判大国军事实力的重要指标,无人机在完成自主攻击任务时,需要对当前战场环境下敌对方空地军事目标的打击价值进行评估排序。根据战场态势下敌方空中目标及地面目标对己方的威胁程度,确定目标的打击价值,建立空地目标价值综合评估的指标体系,采用熵权法和层次分析法相结合的主客观综合赋权法对指标进行赋权,最后通过扇形雷达图法对空地目标价值综合评估排序,并通过实例仿真计算多个空中和地面目标的价值,得出了符合常规的目标价值排序。

关键词：自主攻击目标排序综合赋权扇形雷达图法威胁评估

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空间飞行器的指向误差混合分布模型

上海交通大学学报 2024年第4期58卷 449-460页

作者：曹冬平井庆丰仲伟志南京航空航天大学航天学院南京211106

在空间探测任务中,飞行器会受到机械冲击、跟踪噪声等因素的影响发生角微振动,使天线指向误差恒不为0,从而影响通信链路.针对典型的指向误差单一分布模型如高斯分布、瑞利分布和莱斯分布忽略多种误差源共同影响的缺点,提出指向误差混合... 详细信息

在空间探测任务中,飞行器会受到机械冲击、跟踪噪声等因素的影响发生角微振动,使天线指向误差恒不为0,从而影响通信链路.针对典型的指向误差单一分布模型如高斯分布、瑞利分布和莱斯分布忽略多种误差源共同影响的缺点,提出指向误差混合分布模型,将多种误差源同时考虑在内,极大地提高了模型的准确性.首先,根据多个空间飞行器奥林巴斯通信卫星OLYMPUS、工程测试卫星ETS-VI、光学轨道间通信工程试验卫星OICETS和量子科学实验卫星MICIUS角微振动信号的功率谱密度拟合指向误差信号.然后,对比单一分布模型和混合分布模型与指向误差拟合信号的确定系数R^(2),确定最优分布模型.结果表明:由高斯分布和莱斯分布组成的混合分布模型拟合度最高.以OLYMPUS飞行器为例,高斯-莱斯混合分布模型的拟合度比单一分布模型中的瑞利模型提高27.44%,误比特率偏差降低2.87 dB.

关键词：空间飞行器角微振动指向误差模型单一分布混合分布

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基于波动控制的直升机吊挂鲁棒减摆技术

北京航空航天大学学报 2024年第5期50卷 1629-1638页

作者：李红宏韩艳铧南京航空航天大学航天学院南京211106

直升机在运输重型货物从平飞到悬停的机动过程中,会产生许多稳定性问题,减小吊挂摆角幅度具有重要意义。基于波动控制的方法为直升机吊挂系统设计一种减摆控制器;采用拉格朗日分析力学法,建立直升机吊挂耦合系统四自由度非线性纵向运动... 详细信息

直升机在运输重型货物从平飞到悬停的机动过程中,会产生许多稳定性问题,减小吊挂摆角幅度具有重要意义。基于波动控制的方法为直升机吊挂系统设计一种减摆控制器;采用拉格朗日分析力学法,建立直升机吊挂耦合系统四自由度非线性纵向运动模型,采用小扰动的方法在平衡点处对所建模型进行线性化;在此基础上,基于特征值配置法设计状态反馈控制器;设计波动控制器来减小摆角控制具有良好的动态性能和稳态性能。在仿真中对吊挂载荷质量进行拉偏,证明所设计波动控制器具有较强的鲁棒性,结果表明:所设计波动控制器有效。

关键词：直升机吊挂系统动力学模型状态反馈波动控制减摆控制器

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高超声速飞行器时间协同预测校正鲁棒制导

宇航学报 2024年第3期45卷 421-432页

作者：魏昀鹏都延丽王文凯刘燕斌南京航空航天大学航天学院南京211106

针对存在参数不确定性的多高超声速飞行器滑翔段协同制导问题,提出了一种时间协同的预测校正鲁棒制导方法。首先,基于剩余飞行时间的动态航向角误差走廊实现了横向协同制导,为调整飞行时间提供了有利条件;设计了随协同飞行任务进程变化... 详细信息

针对存在参数不确定性的多高超声速飞行器滑翔段协同制导问题,提出了一种时间协同的预测校正鲁棒制导方法。首先,基于剩余飞行时间的动态航向角误差走廊实现了横向协同制导,为调整飞行时间提供了有利条件;设计了随协同飞行任务进程变化的权值函数,将剩余飞行时间引入纵向制导的预测校正过程中,确保协同飞行任务落点和协同时间的精度。其次,基于改进无迹卡尔曼滤波估计的方法对气动参数的不确定性进行估计,通过对剩余飞行时间与剩余能量的综合分析,修正了航向角误差走廊和标称迎角剖面,以提高协同制导系统的鲁棒性能。最后,分别在标称环境和参数不确定环境下开展了仿真实验,其结果证明了该协同制导方法的可行性和鲁棒性。

关键词：高超声速飞行器预测校正时间协同制导鲁棒制导无迹卡尔曼滤波

面向无人机自主着陆的视觉感知与位姿估计方法综述

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自动化学报 2024年第7期50卷 1284-1304页

作者：马宁曹云峰南京航空航天大学航天学院南京211106

自主着陆技术是制约无人机(Unmanned aerial vehicle,UAV)自主性等级提升中极具挑战性的一项技术.立足于未来基于视觉的无人机自主着陆技术的发展需求,围绕其中的核心问题——着陆场检测与位姿估计,对近十年来国内外无人机自主着陆领域... 详细信息

自主着陆技术是制约无人机(Unmanned aerial vehicle,UAV)自主性等级提升中极具挑战性的一项技术.立足于未来基于视觉的无人机自主着陆技术的发展需求,围绕其中的核心问题——着陆场检测与位姿估计,对近十年来国内外无人机自主着陆领域中基于视觉的着陆场检测与位姿估计方法研究进展进行总结.首先,在分析无人机自主着陆应用需求的基础上,指出机器视觉在无人机自主着陆领域的应用优势,并凝练出存在的科学问题;其次,按不同应用场景划分对着陆场检测算法进行梳理;然后,分别对纯视觉、多源信息融合的位姿估计技术研究成果进行归纳;最后,总结该领域有待进一步解决的难点,并对未来的技术发展趋势进行展望.

关键词：自主着陆无人机机器视觉着陆场检测位姿估计信息融合

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大展弦比飞行器变形辅助高度控制策略

北京航空航天大学学报 2024年第5期50卷 1746-1752页

作者：佘挽强刘燕斌陈柏屹南京航空航天大学航天学院南京210016

针对变形飞行器结构/飞行耦合动力学的飞行控制问题,以大展弦比飞行器为研究对象开展了变形辅助高度控制策略研究。采用单元翼多体假设,构建了大展弦比飞行器二面角变形结构,建立了结构/飞行纵向耦合动力学模型,基于线性二次型(LQR)控... 详细信息

针对变形飞行器结构/飞行耦合动力学的飞行控制问题,以大展弦比飞行器为研究对象开展了变形辅助高度控制策略研究。采用单元翼多体假设,构建了大展弦比飞行器二面角变形结构,建立了结构/飞行纵向耦合动力学模型,基于线性二次型(LQR)控制器设计方法设计了主动变形(AM)和被动变形(PM) 2种控制策略。其中,被动变形控制策略仅采用升降舵作为控制输入,结构二面角动态行为由耦合动力学驱动;主动变形控制策略以二面角铰链处的扭矩作为额外输入对高度跟踪进行协调控制。仿真分析了2种控制策略下的高度跟踪效果及状态变化,研究结果表明:采用主动变形控制策略可有效改善高度跟踪暂态过程的性能,降低姿态回路的阻尼特性,为未来先进变形飞行器的结构/飞行一体化控制提供研究基础。

关键词：大展弦比机翼飞行动力学高度控制控制系统分析变结构控制

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满足多维功能需求的通用机场区域布局研究

地球信息科学学报 2024年第5期26卷 1296-1314页

作者：姜雨刘猛猛李智超薛清文戴垚宇南京航空航天大学民航学院南京211106 南京航空航天大学通用航空与飞行学院南京211106

目前通用机场建设是我国通航产业发展的重点,合理的通用机场布局是后续通航产业发展的基础,因此本文构建多维需求分析-布局选址-功能定位研究框架,为区域通用机场布局规划提供科学性方法。本文首先构建通用机场运输需求及非运输需求影... 详细信息

目前通用机场建设是我国通航产业发展的重点,合理的通用机场布局是后续通航产业发展的基础,因此本文构建多维需求分析-布局选址-功能定位研究框架,为区域通用机场布局规划提供科学性方法。本文首先构建通用机场运输需求及非运输需求影响指标体系,采用组合赋权法获得通用机场区域运输需求及非运输需求分布;其次改进多边形支配点集法为通用机场多维功能需求最大覆盖问题提供候选设施区位,以最大化多维功能需求覆盖和改善机场可达性为目标构建通用机场布局规划模型,设计NSGA-Ⅲ算法进行求解;最后提出基于k-means聚类的通用机场功能定位方法,实现通用机场差异化功能定位。以某地区为实例,实验结果显示,在近期规划中当通用机场数量增加29个,区域运输需求覆盖率达58.78%,非运输需求覆盖率达66.17%;在远期规划中,当通用机场数量增加64个,运输需求覆盖率达89.20%,非运输需求覆盖率达97.57%,基本覆盖通用机场多维功能需求。在近期和远期规划中,该地区通用机场1 h通勤区域占比由目前28.73%分别提升至60.63%和78.35%。本文根据远期布局方案确定通用机场等级及功能,使得机场功能定位与多维功能需求分布相适应,为通用机场的规划和建设提供理论依据。

关键词：航空运输机场布局优化多维功能需求多边形支配点集法连续设施选址最大覆盖模型 NSGA-Ⅲ算法功能定位

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