兵器科學與技術

一種簡化的發射系下SINS/GPS/CNS組合導航系統無跡卡爾曼濾波算法

潘加亮，熊智，王麗娜，等

摘要：目的：未來的高超、空天高動態飛行器具有高動態和導航系統狀態強非線性等特點，構建發射慣性系下的組合導航系統是實現其高精度導航的有效手段之一，而發射慣性系下組合導航系統的核心技術是多信息融合處理方法，因此研究發射慣性系下的信息融合算法是空天飛行器能夠準確實時獲取自身運動參數的關鍵。普通的卡爾曼濾波器及擴展卡爾曼濾波器（EKF）在系統模型線性化展開時會影響估計精度，UKF能有效避免引入線性化誤差，卻存在因組合導航系統維數過高影響算法實時性問題，對導航計算機要求較高，不便于工程實現。為此，研究一種簡化的發射系下SINS/GPS/CNS組合導航系統無跡卡爾曼濾波算法。方法：針對傳統UKF算法計算量過大的問題，提出了發射慣性系下組合導航系統的簡化 UKF算法（SUKF）。（1）選取發射慣性系為導航坐標系，建立了發射慣性系下SINS/ GPS/CNS組合導航系統的狀態方程和量測方程；（2）對傳統UKF算法進行了充分的闡述，針對其系統狀態維數過高問題，基于發射慣性系下系統狀態方程非線性而量測方程線性這一特點，選擇將系統噪聲增廣為狀態向量，而不把量測噪聲增廣為狀態向量，該簡化算法在模型等效的原則下減少了計算步驟；（3）分別設計了標準彈道飛行航跡和高動態飛行航跡兩種航跡，進行了組合導航系統仿真，通過對比不同濾波算法下的計算時間和導航誤差，分析了所設計的 SUKF算法的優越性。結果：在MATLAB環境下分別采用EKF、UKF和SUKF濾波方法對發射慣性系下SINS/GPS/CNS組合導航系統的性能進行了對比分析，同時還將UKF和 SUKF的計算量進行了對比。仿真中設置導彈初始經度、緯度、高度為：118 m、32 m、0 m；飛行時間600 s；捷聯解算周期為0.02 s，濾波周期為1 s；仿真中設置捷聯慣性傳感器仿真參數為：陀螺隨機游走驅動噪聲 0.2°/h，陀螺白噪聲0.2°/h，加速度計隨機游走驅動噪聲0.0001 g，加速度計白噪聲0.0001 g；衛星接收機和星敏感器仿真參數為：衛星導航位置誤差，星光跟蹤儀誤差21角秒。在標準彈道飛行航跡和高動態航跡兩種航跡下，對比分析了EKF、UKF和SUKF濾波方法下的組合導航系統精度，從導航仿真誤差曲線可以看出，SUKF繼承了UKF精度高這一優點，其濾波精度較EKF有顯著的提升。通過對SUKF和UKF算法的計算量進行對比分析，可以看出在同樣的仿真計算條件下，SUKF的計算時間相比于傳統的UKF算法大大減少，有效降低了計算法的復雜度。結論：針對發射慣性系下SINS/GPS/CNS組合導航系統狀態模型非線性而觀測模型線性的特點，設計了一種SUKF算法對組合導航系統狀態參數直接進行估計，在保證導航精度的同時降低了計算的復雜度，從而提高了系統的實時性，減輕了導航計算機的負擔。

來源出版物：兵工學報, 2015, 36(3): 484-491

入選年份：2016

高速桿式彈體侵徹下蓄液結構載荷特性的有限元分析

李典，朱錫，侯海量，等

摘要：目的：彈體對蓄液結構的沖擊與侵徹可能造成災難性后果，采用瞬態非線性有限元，從載荷作用過程、前后板載荷特性及強度方面對蓄液結構載荷特性進行分析，并根據其特性對前后板進行分區，建立了每個分區的簡化計算模型，研究了初速度和水域尺度對載荷強度的影響，并進行了回歸分析，力圖揭示蓄液結構承受的沖擊載荷特性，以期為高速彈體侵徹下蓄液結構的防護方法提供依據。方法：采用瞬態非線性有限元，建立高速彈體侵徹蓄液結構數值仿真模型。箱型蓄液結構尺寸為400 mm×400 mm×100 mm，分為3個部分：即前板、后板、側板。厚度分別為2、6、10 mm；材料采用Q235鋼。彈丸采用圓柱形，彈徑為14.5 mm，長度為18 mm，質量為24.5 g，材料為45鋼。彈體和面板采用八節點拉格朗日實體單元。液體選用為水。水域和空氣域選用八節點實體單元，單元算法采用單點 Euler/ALE多物質單元算法，并將空氣域網格和水域網格共節點，以允許水介質的流動。彈體與水、板與水通過歐拉—拉格朗日罰函數耦合算法將結構與流體耦合。彈體采用 Johnson-Cook本構模型，蓄液結構采用 Cowper-Symonds本構模型，水采用Grüneisen狀態方程，氣體狀態方程為線性多項式。結果：彈體以一定初速穿透前板侵入液體，將形成以撞擊點為中心、向外傳播的球型入射沖擊波，同時，彈體首部與液體產生強烈的擠壓作用，形成局部高壓區（彈體前激波）。緊接著，入射沖擊波傳播至后板，沿著后板表面繼續向兩邊傳播，同時形成反射波；隨后，局部高壓區運動至后板附近，對后板中心區域產生較大的局部壓力作用；然后，反射波作用于前板，并沿著前板表面繼續向板兩邊傳播；隨著彈體繼續向前運動，空化區域不斷增加，空泡得以不斷膨脹擴張，對前后板不斷擠壓，前后板受到持續壓力作用，稱為空化壓力。因此，前板所受沖擊載荷主要為入射沖擊波作用、反射波作用、空化壓力作用。后板所受沖擊載荷主要分為3種：入射沖擊波作用、局部高壓作用、空化壓力作用。按照前后板所受沖擊載荷種類及過程的不同，將前后板主要分為3個區域。前后板的區域Ⅰ和區域Ⅱ主要作用載荷分別為壓力峰值高但持續時間極短的入射沖擊波載荷及局部高壓載荷作用，壓力峰值較小但長時間的空化壓力載荷為區域Ⅲ主要作用載荷。蓄液結構前后面板所受載荷強度主要與彈丸初速和水域尺寸有關。對于彈丸初速，隨著速度的增大，前后板載荷壓力峰值及比沖量均是不斷增大的，入射沖擊波和局部高壓載荷的增大尤其顯著，這更進一步加劇了蓄液結構后板的破壞。另外，當彈體速度足夠高時，局部高壓與入射沖擊波載荷在蓄液結構中無法分離，兩者將一齊作用于后板，破壞能力大大增強。對于水域尺度，隨著水域長度的增大，入射沖擊波載荷及局部高壓載荷壓力峰值及比沖量迅速減小，而空化壓力作用比沖量不斷增大，蓄液結構的抗侵徹能力和吸能能力得到了增強。水域寬度和高度方向對沖擊波載荷特性影響不大，但空化壓力作用得到了增強。結論：（1）闡述了沖擊載荷作用全過程，并按照前后板所受沖擊載荷種類及過程的不同，將前后板主要分為3個區域，并建立了每個分區的簡化計算模型。前后板的區域Ⅰ和區域Ⅱ主要作用載荷分別為壓力峰值高但持續時間極短的入射沖擊波載荷及入射沖擊波—局部高壓載荷作用，壓力峰值較小但長時間的空化壓力為區域Ⅲ主要作用載荷。（2）入射沖擊波和局部高壓載荷壓力峰值及比沖量隨著初速度的增大而迅速增大，當速度足夠高時，二者在蓄液結構中無法分離，將一齊作用于后板，使其預加巨大應力，極易產生破口破壞?？栈瘔毫χ饕挂后w動能逐步轉換為板變形能，使其產生彎曲變形。（3）水域尺度在寬、高度方向對沖擊波載荷特性影響不大，但能增強空化壓力的作用。水域尺度在長度方向對沖擊波載荷具有衰減作用，同時，也能增強空化壓力的作用。（4）針對蓄液結構的防護設計，問題的關鍵在于如何削弱入射沖擊波和局部高壓載荷的作用。

來源出版物：爆炸與沖擊, 2016, 36(1): 1-8

入選年份：2016

車輛行駛路面的數字化建模方法研究

王紅巖，王欽龍，芮強，等

摘要：路面不平度是車輛行駛的一個主要激勵源，路面輸入模型是否能夠真實反映實際路面的相關特征直接影響多體動力學仿真計算結果的準確性和可信性；為了提高虛擬車輛仿真結果的準確性，對路面的數字化建模方法進行了研究。對基于角度基準測量原理的雙軌真實路形計的結構和測量方法進行了詳細介紹。針對確定形狀的中波和長波起伏路面，利用雙軌真實路形計對其進行試驗測量，將測量得到的數據與根據實際路面外形設計參數得到的路面數據進行對比，二者的一致性對比結果表明，利用雙軌真實路形計測量得到的路面數據能夠較為真實地反映路面不平度的相關特征，驗證了路面不平度測量方法的準確性和可信性。對于隨機路面，利用雙軌真實路形計，分別針對渣土路和砂石路的路面不平度進行多次測量，選取較為合適的雙側隨機路面數據，進行數據預處理和數據統計分析，采用基于周期圖法改進的Welch算法對實測數據進行功率譜密度估計計算，依據相關國家標準GB/T 7031—2005對實測路面進行等級評定，將實測道路計算得到的功率譜與各級標準路面譜進行對比來確定路面等級。渣土路面不平度功率譜密度主要在C級和D級之間，砂石路面不平度功率譜密度主要集中在E級和F級之間，實測得到的兩側路面譜曲線形狀和趨勢較為一致，高頻部分稍有差異，表明兩側路面在橫向上高程有所不同，體現了空間路面的隨機性。隨機路面的數字化建模方法研究，根據功率譜密度函數數字化建立路面不平度的方法有很多種，其中諧波疊加法尤其適用于實測路面不平度的時域模擬，適應路面范圍廣，因此選用了諧波疊加法建立渣土路和砂石路的路面數字化模型。先不考慮道路兩側的橫向高程差異，通過高斯隨機過程建立單側隨機路面模型，再通過MATLAB中隨即相位發生器生成兩側具有相位差異的路面不平度節點。利用三維等效容積路面建模方法結合路面不平度數據，生成路面節點和路面單元，并將其按照一定順序連接在一起，得到渣土路和砂石路的三維隨機路面模型。為確保所建渣土路和砂石路三維隨機路面模型的準確性，對所建立的數字化路面模型進行了統計驗證。任取兩條仿真生成的路面數據與實測路面數據的均值、標準差、功率譜密度函數進行對比，驗證結果表明，兩種數字化隨機路面不平度的均值和標準差與實際路面測試結果基本一致，表明所建立的數字化路面模型在縱向上可較好地反映實際路面不平度的統計特性。功率譜估計的對比結果表明：除低頻部分略有差異外，在空間頻率為 0.5 m－1以上的頻率部分，利用諧波疊加法建立的渣土路面模型和砂石路面數字化模型分別與實測砂石路和渣土路的功率譜密度曲線形狀及變化趨勢較為一致，可以認為所建立的隨機路面數字化模型能夠較好地反映出實際路面不平度的統計特性，模型可信性較好?？傊捎玫碾p軌真實路形計可以有效測量各種路面的不平度變化狀態，所采用的基于諧波疊加法建立三維數字化模型的方法是科學和有效的。

來源出版物：兵工學報, 2016, 37(7): 1153-1160

入選年份：2016

超級鋁熱劑Al/Fe2O3對硝化棉熱分解特性的影響

趙寧寧，馬海霞，安亭，等

摘要：目的：超級鋁熱劑是將納米鋁粉和納米金屬氧化物復合成而成的一種高反應性材料，其特點是能量密度大，放熱量大，以及感度低，常用于推進劑、炸藥以及煙火藥。但其制備方法、物理化學性質及其功效發揮/能量釋放過程的本質特性等方面有待進一步研究。探討了超級鋁熱劑 Al/Fe2O3對硝化棉（NC）熱分解特性的影響，并對NC和Al/Fe2O3-NC熱分解產物進行分析。為超級鋁熱劑 Al/Fe2O3在火炸藥、推進劑等方面的應用提供理論和實驗依據。方法：采用水熱法制備了納米Fe2O3，并用超聲分散法將其與納米Al顆粒復合為單金屬氧化基超級鋁熱劑 Al/Fe2O3，利用 X-射線粉末衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電鏡及能量散射光譜儀（SEM-EDS）對復合物的物相、組成、形貌和結構進行分析表征，運用差示掃描量熱法（DSC）從熱分解行為和熱分解動力學方面研究超級鋁熱劑Al/Fe2O3對硝化棉熱分解過程的影響，采用熱紅聯用技術（TGFTIR）研究了NC及Al/Fe2O3/NC的熱分解產物。結果：納米Fe2O3顆粒為不規則橢球體，與納米Al粉超聲復合后，兩者相互“粘附”，呈現一定的團聚現象。將Al/Fe2O3與NC復合，材料呈棒狀分布，部分小塊狀物質為未粘附在硝化纖維表面的Al/Fe2O3團聚體。NC和Al/Fe2O3-NC的熱分解峰溫分別為 209.67℃和 209.59℃。與 NC單組分熱分解峰溫相比，Al/Fe2O3-NC的熱分解峰溫低0.08℃。Al/Fe2O3-NC和NC的熱分解過程遵循Avrami-Erofeev 方程 ?（α）＝1.5（1－α）［－ln（1－α）］1/3，G（α）＝［－ln（1－α）］2/3，n＝2/3；Al/Fe2O3可降低硝化棉的表觀活化能、臨界點火溫度和臨界爆炸溫度。TG-FTIR分析可知，NC、Al/Fe2O3-NC熱分解產生的氣體包括 H2O、CO2、NO2、CO、NO2、NO、N2O、HCHO、HCOOH。NC分解過程中，O—NO2鍵斷裂生成的 NO2氣體大量滯留在聚合物骨架中，而后與RO?原子團或其熱解產物反應，最終使二次自催化反應明顯加強。加入Al/Fe2O3后，混合物 Al/Fe2O3-NC的熱分解在初始階段明顯不同于NC熱分解，由于Al/Fe2O3的催化作用，隨加熱溫度升高，在初始分解溫度不僅可測得 H2O（3600～3740 cm?1）、CO2（2360，670 cm?1）和 NO2（1593～1635 cm?1）的特征吸收峰，在 1762～1965 cm?1還出現了NO的吸收峰，可見Al/Fe2O3能加速O—NO2鍵斷裂并加快聚合物骨架的進一步分解。當熱分解反應進行至最后階段時，對于NC而言，在其外推終止溫度下仍能檢測到HCHO及HCOOH峰，而Al/Fe2O3-NC在其外推起始溫度下只能檢測到 HCOOH弱峰，說明Al/Fe2O3-NC熱分解反應中基團—CH2ONO2最先斷裂完全，或產生的 HCHO被 Al/Fe2O3吸附使之與 NO2發生反應生成 HCOOH。結論：（1）采用水熱法制備了顆粒狀納米Fe2O3，并用超聲分散法將其與納米Al顆粒復合制備成超級鋁熱劑Al/Fe2O3。（2）非等溫熱分解動力學研究表明復合物 Al/Fe2O3-NC與 NC的熱分解都遵循Avrami-Erofeev機理方程。較NC，復合物Al/Fe2O3-NC的表觀活化能、臨界點火溫度及臨界爆炸溫度依次降低21.14 kJ·mol－1，5.71℃，7.10℃。（3）熱紅聯用技術分析結果表明，Al/Fe2O3可促進 O—NO2鍵斷裂，加速凝聚相分解，生成NO2和HCHO氣體。

來源出版物：火炸藥學報, 2016, 39(5): 89-92

入選年份：2016