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大面积单一背景的红外纹理生成方法研究

大面积单一背景的红外纹理生成方法研究

引用

作者：柳倩中国科学院研究生院

学位级别：博士

红外成像仿真是计算机仿真领域一个重要的研究方向。自然场景中常常存在大面积具有单一背景的区域，如沙漠、海面、草地等。对于这类景物，纹理生成是兼顾计算复杂度与视觉真实感的有效方法，也是目前的研究热点之一。面向自然场景的真... 详细信息

红外成像仿真是计算机仿真领域一个重要的研究方向。自然场景中常常存在大面积具有单一背景的区域，如沙漠、海面、草地等。对于这类景物，纹理生成是兼顾计算复杂度与视觉真实感的有效方法，也是目前的研究热点之一。面向自然场景的真实感红外仿真应用需求，开展大面积单一背景的红外纹理生成方法研究，具有非常重要的理论意义与实际应用价值。\n 本文以在图像平面直接生成具有真实感的景物红外纹理图像为目标，通过分析不同类型自然景物的红外纹理特点，重点从纹理结构建模与纹理灰度建模两方面开展研究，建立红外纹理生成模型。\n 论文的主要研究内容包括:\n 1.基于组分绘制的红外纹理生成方法:以土壤-植被混合型地表为例，分析影响其红外纹理的组分光谱特性、生长特征等因素。通过对混合地表中组分的空间分布和个体形态进行数学描述，完成纹理结构建模;根据混合地表与外界、地表内部各组分间的热辐射交换机理，建立红外辐射特性的耦合求解模型，完成纹理灰度建模。\n 2.基于骨架绘制的红外纹理生成方法:以地势高低起伏的自然地表为例，分析影响其红外纹理的地形、气象等因素。对反映地表地貌形态的纹理骨架线及其空间展布格局进行数学描述，完成纹理结构建模;考虑地形起伏对辐射能量、气象状况的影响建立热平衡方程，对起伏地表的红外辐射分布特性进行求解，完成纹理灰度建模。\n 3.基于轮廓绘制的红外纹理生成方法:以模糊不规则自然景物为例，首先对反映景物定性概念或基本形状的外部轮廓进行绘制，然后在轮廓内部填充具有某种物理属性的特征点。利用特征的空间相关性插值生成纹理细节，完成纹理结构建模;通过建立景物物理属性与光谱特性的关系，完成红外辐射特性计算。将红外辐射数据映射到图像灰度空间，得到纹理灰度的空间分布。\n 4.工程化实现红外场景仿真和自然景物的红外纹理生成:基于以上三种红外纹理生成方法，开发了实时红外纹理生成软件。工程化实现了草地、沙漠、山脉、云天背景等典型自然景物的红外纹理生成。将仿真红外纹理嵌入到红外场景仿真图像中，可以合成具有较强真实感的红外场景图像。

关键词：红外成像仿真纹理结构模型纹理灰度模型自然景物红外纹理生成大面积单一背景

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开采扰动下含天然气水合物沉积物工程性状的有限元模拟

开采扰动下含天然气水合物沉积物工程性状的有限元模拟

引用

作者：吴二林中国科学院研究生院

学位级别：博士

天然气水合物是由水和天然气在一定的条件（合适的温度、压力、气体饱和度、盐度、pH值等）下形成的类冰的、非化学计量的、笼型结晶化合物，具有规模大、资源量大、埋藏浅、能量密度高、清洁等特点，被喻为二十一世纪最具有开发前景的... 详细信息

天然气水合物是由水和天然气在一定的条件（合适的温度、压力、气体饱和度、盐度、pH值等）下形成的类冰的、非化学计量的、笼型结晶化合物，具有规模大、资源量大、埋藏浅、能量密度高、清洁等特点，被喻为二十一世纪最具有开发前景的新型能源。天然气水合物的分解过程是一个多相多组分多场相互耦合的过程，将这种包含水合物分解效应、相变、热传导、对流扩散、骨架变形等特性可以统称为含天然气水合物沉积物的工程性状。对水合物资源进行有效合理地开采显得日益突出，但同时大规模的开采必然会带来相应环境及工程地质方面的问题，在缺乏足够的开采经验前，开展对于开采扰动下含天然气水合物沉积物工程性状的理论模型方面的研究就显得尤为重要。\n 目前关于水合物开采方面的理论研究还不够系统与完善，正是基于此，本文围绕开采扰动下含天然气水合物沉积物的工程性状开展了理论模型与数值模拟研究，主要分为以下四个方面的工作:\n (1)首先讨论了多相孔隙介质基本理论必要的前提假设和基本参数定义，给出了各种平衡方程包括（质量、线动量、能量、熵），结合本构假设，详细地讨论孔隙介质的热动力学第二定律的约束;在此基础上，探讨孔隙介质的平衡特性，推导出描述系统近平衡态孔隙介质的动力学特性，建立孔隙介质中的各种耦合过程的动力学描述，包括热传导、渗流、对流扩散等过程数学模型。（第二章）\n (2)基于多孔相孔隙介质的动力学描述，结合开采扰动下含天然气水合物沉积物工程性状的基本规律，建立含天然气水合物沉积物工程性状的基本方程，包括质量平衡方程、线动量平衡方程、能量守恒方程以及盐分运移方程，联合包括应力应变关系、土水特征关系、相平衡模型在内的本构方程、水合物分解效应以及包括气体密度方程、水合物分解动力学方程以及水合物反应方程式等这些辅助方程，最终建立了能够描述开采扰动下含天然气水合物工程性状的理论模型。（第三章）\n (3)对理论模型中的基本方程进行简化，得到初边值问题(IBVP)的闭合数学描述，并给出了相应的有限元强形式和弱形式，从而建立了开采扰动下含天然气水合物沉积物工程性状的数值模型，并基于Galerkin加权残值法对数值模型的有限元方程进行空间离散，同时采用Hilber，HughesandTaylor-α算法对有限元方程进行时域离散，得到了有限元数值计算格式，并在此基础上，进一步自主开发了有限元程序U-DYSAC2。（第四章）\n (4)利用自主开发的有限元程序，对水合物藏(一)维平面应变模型和二维平面应变模型进行数值模拟，重点研究了由于压力、温度以及盐度条件改变导致储层相关参数的变化规律以及空间分布规律，并将部分结果与前人结果进行比较，并对数值结果进行了重点分析，从而表明了所建理论模型的合理性，以及进一步验证了自主开发程序的有效性。（第五章）

关键词：天然气水合物沉积物工程性状开采扰动有限元方法数值模拟

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BEPCⅡ超导磁铁失超探测器监控系统的研究

BEPCⅡ超导磁铁失超探测器监控系统的研究

引用

作者：乔显杰中国科学院研究生院

学位级别：博士

对撞区超导磁铁是北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)的关键设备之一，其运行的稳定性和可靠性关系到整个对撞机的性能。该磁铁包括反螺线管线圈、二极线圈、四极线圈等共7组线圈，是目前世界上结构最复杂的超导磁铁。计算机程序... 详细信息

对撞区超导磁铁是北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)的关键设备之一，其运行的稳定性和可靠性关系到整个对撞机的性能。该磁铁包括反螺线管线圈、二极线圈、四极线圈等共7组线圈，是目前世界上结构最复杂的超导磁铁。计算机程序模拟计算以及实际测试的结果都表明，需要一套探测准确、反应快速的主动失超保护系统对磁铁进行保护。现有的BEPCⅡ失超保护系统需要改进。本文立足于工程实际，对失超探测器监控系统进行改造，作者对原有系统的功能和工作原理进行了深入研究，设计了在EPICS软件平台下实现失超探测器监控系统的方案，完成了新监控系统的代码编写，实现了原有系统的所有功能，并在BEPCⅡ现场进行了在线调试运行，系统工作正常。在国内该课题属首次自主完成数字失超探测器监控系统的研究开发。\n 论文在引言部分对论文背景、研究意义以及课题研究内容和创新点做了概述。第二章从加速器控制系统结构入手，引出了EPICS软件平台，并详细分析了EPICS的结构和运行机制。第三章首先介绍了开发EPICS前端驱动需要用到的基础知识：VME总线协议、VxWorks系统概述、EPICS驱动结构，然后详细分析了商业DSP板卡Pentek4284和前端计算机MVME5100间VME总线的地址映射关系，在此基础上，开发了Pentek4284的EPICS前端驱动，并下载到IOC上进行了调试。第四章首先介绍了失超探测器工作原理和BEPCⅡ失超探测系统结构，详细分析了失超探测器的监控系统功能需求、ADO架构机制、DSP程序运行原理，在此基础上提出了在EPICS平台中实现失超探测器监控功能的解决方案，并说明了在实际开发工作中的实现方法。第五章介绍了采用OPI工具CSS开发的监控界面及其实现的功能，并在实际调试工作中对各部分功能进行了验证。第六章介绍了完成博士课题期间参与的其他BEPCⅡ相关工作，用基于EPICS系统的StreamDevice模块实现了BEPCⅡ温度监测系统的改进。最后在论文结尾对课题工作进行了总结和展望。

关键词：超导磁铁失超探测器监控系统前端应用程序开发监控界面对撞机

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工业机器人关节柔性分析与减振控制

工业机器人关节柔性分析与减振控制

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作者：强艳辉中国科学院研究生院

学位级别：博士

工业机器人在现代工业中发挥着越来越重要的作用，为提高机器人性能，学者们对机器人建模与控制进行了深入研究，大多数研究以刚性模型为基础。然而，工业机器人关节减速机构都存在一定的柔性，特别是高速及大负载作业时，柔性表现尤为... 详细信息

工业机器人在现代工业中发挥着越来越重要的作用，为提高机器人性能，学者们对机器人建模与控制进行了深入研究，大多数研究以刚性模型为基础。然而，工业机器人关节减速机构都存在一定的柔性，特别是高速及大负载作业时，柔性表现尤为明显。关节柔性使得机器人固有频率降低，在外力和惯性力作用下，极易产生振动。振动的存在不仅影响轨迹跟踪精度和定位精度，也破坏了系统运行的稳定性和可靠性。因此，刚性模型控制器在机器人高精度应用中受到了很大限制。如果要进一步提高工业机器人的动态性能和工作品质，必须十分重视关节柔性给机器人动力学带来的影响，对有害振动加以控制。这是提高工业机器人控制精度的重要方向。\n 本文考虑了关节传动机构存在的柔性，从振动控制方面入手，对工业机器人进行减振控制研究。首先介绍了本课题的研究背景及意义，阐述了关节柔性产生的原因、柔性关节机器人研究现状。针对关节柔性导致的振动问题，综述了国内外学者在柔性关节机器人振动控制方面的研究成果，分析了振动控制策略应用中面临的一些问题，以此为基础，开展了进一步研究。主要内容如下:\n 第一，以六关节工业机器人为原型，考虑传动机构的柔性因素，基于拉格朗日能量法建立了刚性连杆柔性关节机器人动力学模型。以该模型为基础，验证了柔性关节带来的振动效应，并分析了振动特性。动力学模型是后续研究的基础。\n 第二，提出了一种新型关节空间轨迹规划算法，获得了更加平滑的运动轨迹。该算法具有以下特点:(1)可以实现关节空间加加速度连续;(2)可以处理机器人位于奇异位姿时的速度;(3)既可以进行在线规划，也可以完成离线规划。为更加有效利用该轨迹蕴含的平滑信息，针对柔性关节机器人采用四阶前馈控制器，结合提出的轨迹规划算法实施振动控制，仿真验证了该方法具有良好的振动控制效果。\n 第三，提出了一种新的两脉冲输入整形器参数学习策略。通过振动幅值测量，利用寻优方法（外推内插法和黄金分割法）离线调整整形器参数，运用最优参数整形器实施振动控制。提出的整形器参数学习策略无需振动相位的测量，不仅适用于线性系统，也适用于柔性关节机器人这种存在非线性及时变振动的系统。将所提离线学习整形器应用于柔性关节机器人的残余振动控制，分析了振动幅值和电机力矩之间的关系，利用力矩来测量振动幅值，并给出了整形器参数初始值计算方法。通过数值仿真验证了该方法的有效性。\n 第四，提出了基于电机状态反馈的柔性关节机器人动态面轨迹跟踪控制器，利用连杆位置和速度估计信息，使用动态面法完成控制器设计。这种基于观测器的动态面控制器相比于传统反演控制器，有以下优点:一方面，动态面法的使用降低了控制器设计难度，同时使控制器具有可调参数，方便了性能调试;另一方面，动态面法避免了高阶信号测量，连杆状态观测器避免了连杆状态的测量，因此，只需电机状态反馈即可完成控制器设计。所设计的控制器可以克服连杆动力学的不确定性，具有一定的鲁棒性。此外，由于控制器基于电机状态反馈，无需安装额外传感器，可直接应用于现有工业机器人，具有工程应用价值。\n 第五，考虑连杆动力学与电机动力学中的不确定性，设计了基于Chebyshev神经网络的柔性关节机器人部分动态面位置输出反馈控制器。运用非线性观测器估计连杆和电机速度，采用刚性机器人控制器设计方法设计连杆控制器，只在电机采用动态面法设计电机控制器。同时，运用Chebyshev神经网络逼近观测器和控制器中的模型不确定性。所提控制器设计方法为柔性关节机器人控制器设计提供了一种新思路，既可以借鉴现有刚性机器人控制方法，控制器设计更加灵活，且部分动态面法的应用避免了加加速度等信号的测量和反演设计中反复微积分产生的积分爆炸。此外，Chebyshev神经网络计算简单，收敛速度快。诸多优点使得该控制器更易于工程实现。\n 第六，开发了基于模块化设计理念的焊接机器人控制器，着重介绍了DSP多轴运动控制器软硬件设计和加加速度连续轨迹规划算法的实现。通过弧焊机器人焊接实验，验证了提出的加加速度连续的轨迹规划算法。此外，基于设计的单关节机器人平台，利用振动幅值离线学习两脉冲输入整形器最优参数，在DSP运动控制器中实现了输入整形器，验证了该算法有着良好的振动控制效果。\n 最后，对本文所取得的研究成果进行了总结，并指出了需要进一步开展的工作。

关键词：柔性关节工业机器人空间轨迹规划输入整形动态面法 Chebyshev神经网络减振控制

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导弹潜射过程结构动力学行为研究

导弹潜射过程结构动力学行为研究

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作者：刘维玮中国科学院研究生院

学位级别：博士

导弹潜射过程主要经历出筒、水中航行及出水三个阶段。出筒阶段发射筒、适配器及弹体之间的相互作用、水中航行段水动力载荷和弹体的祸合作用及空化回射流的激励作用、出水过程中空泡溃灭载荷对弹体的冲击作用等,使其所处的载荷环境相... 详细信息

导弹潜射过程主要经历出筒、水中航行及出水三个阶段。出筒阶段发射筒、适配器及弹体之间的相互作用、水中航行段水动力载荷和弹体的祸合作用及空化回射流的激励作用、出水过程中空泡溃灭载荷对弹体的冲击作用等,使其所处的载荷环境相较于陆基发射条件更为复杂严酷。目前,潜射导弹成功发射几率仍然较低,对其潜射全过程弹体载荷的分析方法和计算技术尚不成熟,如何保证弹体结构安全出水是相关工程部门提出的一个亟需解决的问题。本文针对这一问题提出潜射全过程动力学响应分析的方法,全面分析了弹筒约束、弹体结构、水动力载荷及模型试验相似关系等四方面因素对弹体横向弯曲内力的影响。论文主要工作和成果如下:\n 1、基于多体动力学理论,建立了刚柔混合的弹体结构—适配器—发射筒虚拟发射样机,并将仿真弹道结果与实测数据进行对比,误差小于10%,验证了虚拟样机模型的合理性。在此基础上,进一步分析了适配器模型参数中的接触刚度、预压量和配合公差对弹体出筒姿态和关键截面内力的影响,计算结果表明控制配合公差能有效地改进弹体的出筒状态。\n 2、分析了弹道和内力随水动力载荷变化的规律,发现出水空泡溃灭载荷是产生弹体弯曲振动的主要激励。同时分析了弹体内部装药和轴向压力对弹体横向弯曲内力的影响。\n 3、基于实测的水动力载荷,构建了描述其关键特征的数学模型,以利于解释和描述水动力载荷与结构响应的关系。并根据实验数据确定了该模型中的各个控制参量。进一步针对不同发射水深的水动力载荷特点,初步分析了浅水发射溃灭载荷参数和深水发射同步溃灭载荷参数对截面内力的影响程度。\n 4、针对潜射过程中存在流体空化现象和大位移小变形运动等问题,采用运动一弹性方法建立了弹体动力学方程,解决了结构动力学计算与流体计算的时空同步化问题,实现了直接在时域内进行潜射全过程数值模拟的流固耦合方案,并对比了有无流固耦合效应对弹体响应的影响。\n 5、针对模型试验中试验模型结构的动力学特性相似关系难以满足导致缩比试验数据难以直接计算原型荷载的问题,提出了一种利用缩比模型试验弹体表面测压数据计算原型弹体横向动力响应的修正计算方法。基于该算法计算得到了原型弹体的实际动力响应,并与水动力直接转化算法进行了比较,发现计算得到的弹体弯矩响应有较大差别。\n 最后总结了全文的研究结果并提出了下一步研究的建议。

关键词：潜射导弹虚拟样机载荷模型流固耦合动力学行为

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涡轮螺旋桨法向力研究

涡轮螺旋桨法向力研究

引用

全面建成小康社会与中国航空发展——2013首届中国航空科学技术大会

作者：刘毅闫中午任文广上海飞机设计研究院总体气动部

螺旋桨动力装置对飞机气动特性的影响可以分为直接影响和间接影响两部分。其直接影响是螺旋桨上的拉力、法向力对飞机气动特性的贡献;间接影响主要是螺旋桨滑流对飞机各部件的影响,当螺旋桨滑流扫过后面的部分机翼和尾翼等部件时,引起... 详细信息

螺旋桨动力装置对飞机气动特性的影响可以分为直接影响和间接影响两部分。其直接影响是螺旋桨上的拉力、法向力对飞机气动特性的贡献;间接影响主要是螺旋桨滑流对飞机各部件的影响,当螺旋桨滑流扫过后面的部分机翼和尾翼等部件时,引起当地气流速度和迎角发生变化,从而改变了该部件对飞机气动特性的影响。本文主要研究的是直接影响中的法向力专题。螺旋桨发动机厂商可以提供较为准确的拉力数据,但无法提供法向力数据。当前,法向力的获得方式主要有两种途径,一种是带动力风洞试验,另一种是工程计算方法。本文详细介绍螺旋桨飞机法向力的试验模拟及工程计算方法,并提出一种新的试验和工程计算相结合的法向力修正方法。

关键词：螺旋桨直接影响法向力风洞试验工程计算

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LED显示屏的色度校正技术和封装技术研究

LED显示屏的色度校正技术和封装技术研究

引用

作者：赵梓权中国科学院研究生院

学位级别：博士

LED显示屏存在亮度、色度、光强分布等多个非均匀性问题，使得LED显示屏的显示质量降低。本文针对这些均匀性问题进行了多方面的研究，建立了LED显示的视觉模型，通过校正系统和光学设计提高了LED的显示质量。\n 本论文的主要工作:\n... 详细信息

LED显示屏存在亮度、色度、光强分布等多个非均匀性问题，使得LED显示屏的显示质量降低。本文针对这些均匀性问题进行了多方面的研究，建立了LED显示的视觉模型，通过校正系统和光学设计提高了LED的显示质量。\n 本论文的主要工作:\n 1、建立了LED显示颜色的数学模型。针对LED发光的物理特性和基于脉宽调制的驱动方式，建立了线性的LED混色数学模型，该数学模型基于线性理论，描述了LED发光和混色的物理过程。\n 2、建立了使用彩色CCD相机对LED显示屏的亮度和色度进行精确采集的方法。首先，通过图像处理算法从彩色CCD相机成像中提取LED发光在RGB颜色空间中的亮度和色度值。然后，用色度计对部分LED进行精确测量，并构建了RGB颜色空间和CIE1931XYZ颜色空间中多种尺寸的自适应矩阵。通过从CCD相机中得到的RGB数据和色度计精确测量的XYZ三刺激值，就能计算出自适应矩阵，并通过自适应矩阵将LED在RGB颜色空间中的亮度值和色度值转化为XYZ三刺激值。\n 3、根据LED发光的线性数学模型，在CIE1976LUV颜色空间中将LED的光学参数和控制系统的精度需求联系起来，并用色差值来判断控制系统精度对人眼视觉感受的影响。本文对LED单基色发光和混色发光时，人眼视觉感受对控制系统的精度要求进行了分析，并深入分析了LED亮度和色度离散性在混色过程中对LED控制系统精度的影响，并给出了相应的计算公式。通过该计算公式，就能精确计算LED显示屏控制系统所需的精度，此时LED显示屏的亮度和色度校正系统就能得到良好的硬件支持，从而发挥出最佳的校正效果。\n 4、针对LED的亮度和色度离散性，本文介绍了亮度均匀性和色度均匀性校正方法，并更进一步的提出了LED的色域校正方法。首先，根据LED的颜色模型对LED显示屏的三基色色坐标进行校正，通过确定基色色坐标来确定色域范围。然后，通过白平衡来实现对“白场”色坐标的精确校正，并确保校正系数的有效性。本文通过确定三基色色坐标和白场色坐标，实现了对LED显示屏显示颜色色域的精确控制。\n 5、本文对集成三合一LED封装进行了光学设计，将LED封装的内壁作为反射罩，通过对反射罩外形的设计，可以在实现均匀混色的同时，有效的实现不同位置的LED光强分布的一致性。此外，由于仅使用少量散射剂，LED显示屏的能耗大幅降低，更加绿色环保。\n 本文通过大量的理论分析和工程实践，并结合人的视觉感受，分析和解决了LED显示中遇到的亮度、色度、色域、光强分布等非均匀性问题，具有一定的理论意义和工程实用价值。

关键词： LED显示屏色度校正技术封装技术光学设计驱动方式

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GNSS系统仿真及精密单点定位研究与应用

GNSS系统仿真及精密单点定位研究与应用

引用

作者：闫伟中国科学院研究生院

学位级别：博士

卫星导航系统是一项规模庞大、结构复杂的系统工程，涉及多种软件硬件和多学科专业领域知识。GNSS仿真系统作为卫星导航系统设计、建设、运行、应用、维护等全生命周期都需要使用的实验手段，对Compass/Galileo等新一代卫星导航系统建... 详细信息

卫星导航系统是一项规模庞大、结构复杂的系统工程，涉及多种软件硬件和多学科专业领域知识。GNSS仿真系统作为卫星导航系统设计、建设、运行、应用、维护等全生命周期都需要使用的实验手段，对Compass/Galileo等新一代卫星导航系统建设具有重要意义。\n 精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)以其单机作业、机动灵活的优点在诸多领域取得了广泛应用。然而，PPP对外部精密轨道和钟差产品的依赖、其各类估值均为模糊度浮点解及收敛时间较长等不足，限制了精密单点定位在实时、准实时领域的应用。\n 结合我国自主卫星导航系统Compass的建设需求，围绕精密单点定位向实时应用发展面临的关键问题，本文就以下几个方面展开了深入探讨和研究：\n (Ⅰ)GNSS仿真数学模型及关键技术研究\n GNSS仿真系统建设是我国自主卫星导航系统建设的迫切要求，也是卫星导航设备研发与测试的有效方法及目前进行多频多模GNSS应用研究的必要手段。本文系统研究了卫星导航系统仿真的数学模型及关键技术：1)给出了基于广播星历参数和动力学积分算法的导航星座仿真模型：2)推导并给出了广播星历参数拟合的实用公式，对GPS精密星历实现了3cm的拟合精度；3)研究并阐述了GNSS导航电文编码技术，实现了GPS/Compass导航电文编码；4)研究了用户轨迹仿真方法，包括监测站位置仿真、汽车、飞机、舰船等中低动态用户轨迹仿真及火箭、导弹、低轨卫星等高动态用户轨迹仿真；5)深入研究了GNSS多频点多类型观测数据仿真方法，推导并给出了伪距和载波相位及其高阶项、L波段上下行伪距星地时间同步数据、激光双向距离星地时间同步数据及C波段双向距离站间时间同步数据的仿真计算模型。\n 上述仿真数学模型为GNSS实时软件平台的建设提供理论支撑和技术储备，部分数学模型及关键技术已应用于中国民用卫星导航应用设备与系统质量检测平台及CSG5500系列卫星导航模拟器产品中。\n (Ⅱ)GNSS实时仿真软件平台研制\n 经过长达3年的研究、设计、编程、联调和测试，成功研制了高效、实时、并行的工程化GNSS仿真软件平台，能够运行于Linux/Window、32位/64位等多种软件硬件平台，满足50Hz实时仿真需求，具备Compass、GPS、Galileo、GLONASS四大导航系统实时仿真能力。该软件平台已成功应用于中国卫星导航设备与质量监测平台和导航卫星数学仿真验证系统的建设中，并分别于2008年和2010年通过中国航天科技集团的验收并交付使用，直接服务于我国自主卫星导航系统建设及卫星导航相关设备的研发和测试。\n (Ⅲ)非组合精密单点定位及其授时精度分析\n 系统分析研究了非组合精密单点定位方法及其在授时中的应用。研究发现，非组合PPP能够有效避免传统精密单点定位在消电离层组合过程中对观测噪声及多路径效应影响的放大，但是非组合PPP与传统PPP具有相当的定位精度、相似的收敛过程和相同的收敛速度。在天顶对流层延迟估计方面，非组合PPP与其它PPP算法估计精度相当，但估计结果更加平稳；非组合PPP和传统PPP均可实现亚纳秒级的精密授时精度，在同等条件下，非组合PPP精密授时结果优于传统PPP算法，在动态处理模式下，非组合PPP接收机钟差解比传统PPP接收机钟差解更加精确、稳定、可靠，在运动载体精密授时方面具有较大的应用价值。\n (Ⅵ)基于广播星历和区域网的实时精密单点定位新方法\n 提出一种基于广播星历和区域网的实时精密单点定位新方法NAPPP(Network AugmentedPrecise Point Positioning)。NAPPP将用户站与附近若干参考站一起联合处理，实时估计用户站位置及卫星轨道和钟差改正数，可以摆脱PPP对外部精密卫星轨道和钟差产品的依赖，并合理考虑不同导航卫星轨道和钟差之间的相关性。NAPPP的实施仅要求用户站与参考网有足够数量的共视卫星，只需少数参考站便可在数百公里范围内实现实时PPP解算，其定位精度和收敛速度均明显优于采用IGS最终轨道和30s钟差的PPP定位结果，与采用CODE精密轨道和5秒钟差的PPP事后定位结果的精度相当。NAPPP的实施只需3G无线网络等简单的通讯设备，便可以在较大的范围内提供实时精密定位服务，在航空测量、近海测量、地震监测与预报等诸多领域有较大的潜在应用价值。\n (Ⅴ)GNSS数据处理框架设计及数据处理软件平台研究\n 卫星导航数据处理软件平台是进行GNSS研究与应用不可缺少的基础设施。在开源软件GPSTk的基础上，本文设计并实现了一个通用的GNSS数据处理框架(Precise PositioningEngine，PPE)，PPE以

关键词：数据处理精密单点定位卫星导航系统全生命周期仿真数学模型

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约束优化问题的信赖域方法

约束优化问题的信赖域方法

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作者：王晓中国科学院研究生院

学位级别：博士

非线性规划问题是数学规划中一类非常重要的问题.一方面,很多实际应用领域(如经济、工程、军事等)的问题部可以直接建模为非线性规划问题；另一方面,许多其它科学领域中的重要问题也可归结为非线性规划问题.所以,不管是从实际应用价值... 详细信息

非线性规划问题是数学规划中一类非常重要的问题.一方面,很多实际应用领域(如经济、工程、军事等)的问题部可以直接建模为非线性规划问题；另一方面,许多其它科学领域中的重要问题也可归结为非线性规划问题.所以,不管是从实际应用价值、还是理论意义的角度,设计合理、高效的求解非线性规划问题的算法都是至关重要的.信赖域方法是求解非线性规划问题的一类重要而有效的方法,它具有完善的理论体系以及稳定的数值表现.根据约束的类型来划分,非线性规划问题包括无约束、界约束、等式约束以及一般约束优化问题.其中的每一种问题都具有其特殊的结构,基于它们的特质,可以设计有效的信赖域方法来求解.\n 本文主要针对带有约束的非线性规划问题进行了研究,设计了若干针对不同约束类型的实用而有效的信赖域算法.具体研究工作如下：\n (1)针对界约束优化问题,首先在第二章中设计了一种基于全新的仿射变换技巧的求解算法.受线性规划的启发,我们得到一个关于当前点的梯度、到边界的距离以及信赖域半径之间的巧妙关系,并基于此提出了一种新的处理界约束的仿射变换技巧.这种技巧能够使得算法在靠近解时更快地收敛,从而大大提高了算法的效率.对CUTEr(国际上广泛使用的非线性规划算例库)中所有界约束优化问题的测试表明,新算法比LANCELOT(曾获得国际数学规划协会的最高软件奖)更加有效,并且明显优于fminincon(Matlab)优化工具箱中的函数.在第三章中,我们提出了一种内点信赖域方法.经典的(最早由Dikin提出)仿射变换方法对于非凸问题,并没有很好的理论结果.然而我们充分利用问题的特点,每步迭代中,不仅要在Dikin球中极小化一个二次模型.还要考虑一个近似的投影梯度步,通过与信赖域技巧结合,保证了算法的全局收敛性。同时,文中还给出了算法的局部收敛性分析.在第四章中.我们将积极集技巧与信赖域思想结合,提出了一种求解较大规模界约束优化问题的积极集方法。首先利用仿射变换的梯度步估计了可能积极的约束,然后在积极约束的零空间中进一步减小目标函数.理论上证明了算法的全局收敛性，同时，我们对CUTEr中所有较大规模的界约束优化问题进行了测试，数值结果表明，与国际著名算法LBFGS-B(NEOS优化求解器)相比，新算法的计算机效果更好。\n (2)针对等式约束优化问题,我们在第五章中构造了一种新的信赖域方法.传统的罚函数方法通常需要逐步精确或是近似精确地求解非线性子问题,该子问题的非线性程度与原问题相同,所以计算代价仍然很大.而新方法是基于增广Lagrange函数,在每步迭代中只需要在信赖域中极小化它的二次近似,多项式可解,从而问题难度降低.同时引入了一个判断条件,确定何时需要更新Lagrange乘子。并设计了新的更新罚因子的策略,证明了算法的全局收敛性.对于CUTEr中的等式约束优化问题,计算效果相比于LANCELOT.非常好.\n (3)针对一般约束优化问题,在第六章中我们首次将滤子思想、k罚函数与信赖域技巧结合,提出了一种新的算法.利用罚函数处理一般约束,从而避免了约束与信赖域结合可能产生的不相容问题：同时结合∫∞罚函数的优点,能更快地减小约束违反度;滤子与罚函数结合,既避免了传统的滤子方法可能导致的滤子元素过多的问题,同时也能够防止罚因子增长过快.数值试验表明,对于测试问题,新算法较LANCELOT有明显优势.

关键词：界约束优化等式约束优化一般约束优化信赖域仿射变换增广Lagrange函数

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基于GNSS的卫星在轨相对定位技术研究

基于GNSS的卫星在轨相对定位技术研究

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作者：李轶中国科学院研究生院

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为了满足在轨服务、编队飞行、天基目标近距离观测等空间任务对于高精度实时定位与定速的需求，提高航天器自主导航能力，扩展GNSS技术在空间段的应用领域，需要开展基于GNSS的空间在轨相对定位技术研究。\n 本课题针对上述应用需求... 详细信息

为了满足在轨服务、编队飞行、天基目标近距离观测等空间任务对于高精度实时定位与定速的需求，提高航天器自主导航能力，扩展GNSS技术在空间段的应用领域，需要开展基于GNSS的空间在轨相对定位技术研究。\n 本课题针对上述应用需求，充分调研了国内外航天器相对导航任务相关技术发展现状，包括基于GNSS信号的测量方案、相对运动轨道动力学建模、非线性滤波算法理论以及多模GNSS技术等，提出了课题具体研究内容与方案。包括基于相对无奇点根数的航天器相对运动动力学建模、基于差分GNSS的合作目标在轨相对定位定速算法、多星座组合导航兼容性模型研究以及基于多项式插值法的非线性滤波算法研究。\n 文章首先对课题的各应用领域对于相对导航精度需求进行了详细的需求分析，之后对国内外的相关技术发展背景和研究现状做了充分详实的调研，分析了航天器在轨相对自主导航技术的未来发展趋势，并形成了最终的调研结论，在此基础上，明确了本课题的的任务概念与范围，提出了系统设计思想、观测方案以及算法的框架结构，作为全文技术路线的指导思想。\n 面向相对导航对于高精度相对运动动力学模型的需求，对航天器相对运动方程进行了整理和推导，分析了传统的基于代数学方法的动力学模型对于本课题应用的局限性，设计了基于几何变换的相对运动模型。针对传统的开普勒六根数的奇点问题定义了相对无奇点轨道根数，并在此基础上建立了基于相对无奇点根数的几何法轨道动力学方程，引入了地球J2项摄动，可以得到解析解，适用于椭圆轨道航天器。通过数值仿真，将本模型与代数学动力学模型进行了对比和分析，证明了基于相对无奇点根数的几何法动力学方程模型精度有显著提高。\n 面向相对导航对于高精度观测模型的需求，同时为了充分发挥GNSS技术在空间相对导航中的作用，进行了基于差分GNSS观测量的相对导航策略研究。分析了GNSS观测信号的误差修正方法，建立了差分GNSS伪距方程，研究了GNSS信号波阵面非平面修正算法和周跳探测方法；利用双差载波相位平滑伪距，提高伪距精度的同时降低了运算复杂度。在上述基础上，论证了GPS/XX组合观测模型的可行性，进行了可见性分析和几何精度因子(GDOP)分析，定量的论证了多星座GNSS组合相比单一星座的优势。随后建立了基于GPS/XX组合观测的时空参数统一方法和定位解算模型，制定了GPS/XX组合观测和差分GNSS伪距进行定位解算的算法流程，通过仿真实例对上述算法的精度进行了验证。\n 为了进一步提高星间相对定位与定速的精度，文章研究了基于二阶多项式插值法(DDF2)的非线性滤波算法研究，用于对相对导航过程进行状态估计。利用基于相对无奇点根数的相对运动模型作为状态方程，利用差分GNSS模型作为测量方程，对非线性系统的统计特性近似到了二阶程度，避免了舍入误差的积累，保证了状态估计的稳定性。在精确的相对运动模型和观测模型基础上，进一步提高了相对导航精度。通过仿真实例对比了DDF2、EKF和UKF算法的滤波精度，证明了算法的有效性。在此基础上，文章深入研究了相对运动轨迹的线性化程度对于导航精度的影响，设计了三种线性化程度不同的相对运动模式，建立了各自的动力学方程，在上述三种相对运动模式下分别比较了EKF和DDF2的精度、稳定性和计算时间，提出了不同任务轨迹下的滤波器优选方案。\n 为了使本课题方案更加符合实际应用需求，提出了一种分布式滤波方法，将相对导航滤波算法由传统的单星完成分解至多星并行联合实现，提高了系统的可靠性和鲁棒性，并有效避免了单点失效问题。在详细对比分布式滤波与集中式滤波的优缺点基础上，针对实际应用中存在的问题，对分布式滤波结构作了初始化误差修正和参数自适应优化设计，使之更符合工程应用。之后提出了测试系统设计方案，验证了四星编队的相对导航精度，证明了分布式滤波结构在提高系统鲁棒性、可靠性、可扩展性的同时，保证了导航精度。\n 文章最后对全文工作进行了总结，提炼了创新点，并对后期的工作进行了初步展望和规划。\n 本文研究成果对于提升卫星的自主生存和自主管理能力、减轻地面站负担、提高星间相对定位精度的实时性和可靠性有着重要意义。

关键词：航天器星间相对定位相对无奇点根数多项式插值滤波差分GNSS 多星座组合导航

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