电子技术

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时延受限传感器网络移动Sink路径选择方法研究

郜帅，张宏科

目的：已有研究表明 sink移动方案能有效提升无线传感器网络的能耗效率，但Sink点移动速度的限制通常会带来较大的数据收集时延，与某些实时性要求较高的应用产生矛盾。本文致力于研究时延受限的无线传感器网络中Sink点移动路径优化设计问题，在满足数据收集时延的前提下，实现全网整体能耗的最小化。方法：基于带移动Sink的无线传感器网络应用模型，首先将受数据收集时延约束的Sink路径优化问题进行数学化描述，然后对网络能耗的影响因素进行分析，得到传输跳数和路径地理位置对能耗的定量和定性影响。接着，为了克服访问节点实际物理位置带来的缺陷，提出了一种基于虚拟点优先级的路径选择算法VNP（Virtual Nodes’ Priority），通过在监测区域内人为添加虚拟访问点，借助于节点间无线远程通信传输的能力来收集传感数据，从而有效降低算法时间复杂度，减小节点总量对算法运行时间的影响，提高算法规模可扩展性。具体方法为：在以特定步长选择可能虚拟访问点的基础上，从虚拟点集合中选择满足轨迹长度上限的最佳 sink访问点集合，而对最佳访问点集合进行TSP（Travelling Salesman Problem）问题求解得到的闭合轨迹即为sink点移动轨迹。结果：采用MATLAB构建仿真平台，对所提sink优化路径选择算法进行性能分析。首先比较仿真虚拟点选择算法中不同步长对路径选择的影响。可以看出，随着步长的增加，虚拟点个数将会减少，从而VNP算法的计算时间将会缩短，但是而计算时间的缩短是以牺牲整体能耗为代价的，步长的增加带来了更多的能耗。另外，当步长大于节点最大通信范围时，计算时间性能的改善将不太明显。然后，论文将所提VNP算法与另外两种基准算法 RP-UG（Rendezvous Points with Utilitybased Greedyheuristic）和RP-UG-C（RP-UG with Centered start point）。进行对比。从仿真结果可以看出，随着监测区域内节点规模的增大，三种算法带来的能耗会随之增大，而其中RP-UG随机选择初始点，并没有考虑路径地理位置对全网能耗的影响，其全网整体能耗明显高于另外两种算法。VNP方法的能耗略高于RP-UG-C，在能耗指标方面二者基本相当。根据三种算法在计算时间方面的比较，RP-UG和RP-UG-C在算法时间复杂度方面处于同一数量级，且远高于VNP算法的计算时间（数百至数千倍）。VNP算法虽然在能耗性能方面略逊于RP-UG-C算法，但在计算时间方面要远远胜出，VNP以较小的能耗代价获得较大的计算时间“收益”。且由于 VNP算法时间复杂度由虚拟点数量直接影响，而节点规模对计算时间的影响较小，故与RP-UG和RP-UG-C相比，VNP算法具有良好的规模可扩展性。结论：针对移动无线传感器网络中sink移动速度与时延要求之间的矛盾，本文提出了一种移动sink路径优化选择方法VNP以满足时延要求同时最小化网络整体能耗。VNP通过避免访问各传感器节点实际物理位置及遍历虚拟节点来降低算法时间复杂度，基于节点的无线通信能力来计算各虚拟点优先级，且兼顾考虑了路径地理位置对能耗的影响。仿真实验表明，与基准算法相比，该方法在牺牲少量能耗的前提下能显著降低算法时间复杂度，具有良好的规模可扩展性。

来源出版物：电子学报, 2011, 39(4): 742-747

入选年份：2015

一种基于LEACH协议的改进算法

吕涛，朱清新，张路桥

摘要：目的：无线传感器网络是一种基于分簇结构和分层技术的分簇路由协议。LEACH虽然至今已过去 10多年，但仍是当前在该邻域中认可度最高、最有影响力的分簇路由协议之一。本文通过对LEACH的分析和研究，对LEACH原有的不足之处进行改进，提出一种基于LEACH协议的改进算法。方法：利用LEACH原有的网络模型和能量模型对协议的运行过程进行仿真，通过统计节点能量数据来发现LEACH运行过程中出现的问题。（1）LEACH采用三层结构的网络模型，节点负责感知环境、采集数据并发送；簇头负责收集节点发出的数据并进行数据融合，融合后的数据由簇头直接发送给基站。模型假设每个节点拥有足够的能量将数据发送到基站；每个节点可以使用功率调节；每个节点可以计算功耗以支持不同的MAC协议。（2）LEACH的能量模型采用自由空间模型和多径衰减模型。（3）协议的运行过程是将网络运行分成若干轮，每轮由建立阶段和稳定阶段组成。在建立阶段，完成簇的选举和组织；在稳定阶段，节点轮流采集数据发送给各自的簇头，簇头负责将簇内所有节点的数据融合后最后传输给基站。每轮过后，LECAH重新选举簇头并组织新的簇，开始网络新一轮的运行，直到网络所有节点的能量耗尽。结果：通过对LEACH的仿真表明，在运行过程中协议可能出现的问题为：（1）极大簇和极小簇并存造成能量消耗不平衡。LEACH采用随机选择轮流成为簇头的算法，其参考指标是节点成为簇头的次数；而节点的加入是以接收信号的强弱为依据，因此在成簇过程中会出现簇内节点过多的簇（极大簇）和簇内节点过少的簇（极小簇，包括孤节点）。（2）簇头选择不合理造成簇头猝死。造成簇头在稳定阶段猝死的原因主要有两个：在网络运行后期，此时节点平均剩余能量已经很低，很多节点的能量已经濒临耗尽，簇头的能量已不足以完成一轮的数据采集和数据传输，簇头在死亡后没有通知簇成员，导致簇成员节点继续采集和传输数据，造成能量浪费。簇头选择和分簇不合理是加速能量消耗的另一个原因。结论：LEACH的良好性在于：随机部署，自适应和自配置簇形成；局部控制数据传输；低功耗媒体访问控制；特定应用数据处理，如数据汇聚和压缩。但是LEACH没有考虑在分簇中出现极小簇和簇头猝死情况下对网络能量平衡和负载平衡的影响，本文基于此提出通过设置簇成员数门限和分布式合并极小簇的方法来平衡网络能量使用；通过能量估计的方法使簇头在稳定阶段猝死后，簇内节点能停止工作，避免能量浪费；通过能量估计的方法改进了簇头选择标准，使节点成为簇头更合理。仿真结果表明，改进后的算法可以有效平衡能量负载，降低极小簇过快消耗能量的负面影响从而充分延长网络寿命。

来源出版物：电子学报, 2011, 39(6): 1405-1409

入选年份：2014

一种基于过采样的单通道MPSK信号盲分离算法

崔荣涛，李辉，万坚，等

摘要：目的：单通道盲分离是欠定盲分离中一种比较极端的情况，即在只有一个接收信号的情况下实现对多个源信号的分离。本文针对单通道接收到两路MPSK通信信号混合的情况，探索基于信号过采样的单通道混合数字调制信号盲分离算法。方法：通过对接收信号的过采样，充分利用接收到的数字调制信号的波形信息，将单通道的多信号分离问题转化为发送符号向量及信号参数向量的估计问题，其方法是：（1）建立单通道接收信号的一般模型，分析信号模型中各参数的物理意义及其相互之间的关系。（2）基于最优贝叶斯滤波的理论框架，将接收信号的一般模型转化为一组状态方程和观测方程，以获得贝叶斯后验概率最优递推估计的数学关系式。（3）采用基于粒子滤波的算法实现发送符号向量和信号参数向量的递推估计，重点是重抽样、权值更新、信号参数和符号估计等具体算法的设计。（4）基于最大似然估计的理论，推导该算法的误码率性能的下界。（5）通过计算机仿真的方法，获得不同条件下算法的性能曲线，并与已有的方法以及理论曲线进行比较，以验证算法的有效性、考察算法的性能特点。结果：从理论分析和仿真实验可以看出：（1）性能与过采样率的关系：与单倍采样的分离算法相比，基于多倍过采样的分离算法的性能有了明显提高，并且随着过采样率的提高，算法的误码率性能越来越好。但是当过采用率大于10时，性能改善的程度趋缓。另外，无论是单倍还是多倍过采样，分离算法性能还未达到性能界，这主要是由于参数估计不够准确引起的。（2）性能与粒子数的关系：在粒子数比较少时，算法的性能会随着粒子数的提高而提高，而当粒子数达到1000时，粒子数的增多对算法性能不再有贡献。（3）信号参数对性能的影响：算法的分离性能与两路信号定时偏差之间的差距有关，两路定时偏差相差越大，分离性能越好。而不同数量级的频偏和相位偏差对算法的性能影响不大。结论：基于过采样的单通道两个 MPSK信号盲分离算法，利用粒子滤波进行贝叶斯后验概率的递推估计，从而实现对码元符号和参数的联合估计，最终实现多个信号的盲分离。通过对接收信号的过采样，可以更加充分利用接收信号的波形信息，有效地抑制了噪声影响。仿真实验也表明，基于过采样的盲分离算法可以有效降低误码率，能够提高盲分离的性能。

来源出版物：电子与信息学报, 2009, 31(3): 566-569

入选年份：2014

基于近似KLT域的语音信号压缩感知

郭海燕，杨震

摘要：目的：压缩感知（CS）理论从某种意义上来说打破了奈奎斯特采样定律的限制，具有重要的理论意义和应用价值。压缩感知理论认为，如果信号在某已知变换域上具有稀疏性，则可以用低维观测向量近似无损地重构高维信号。由于语音信号在已有的传统变换域下稀疏性不强，所以目前对语音信号CS的研究还不多，尚属于起步阶段。本文针对语音信号在KLT域的稀疏特性，在构造基于模板匹配的近似KLT基的基础上，研究语音信号在其下的CS性能。方法：将对语音帧的自相关矩阵进行特征值分解得到的酉矩阵作为理想KLT基，研究发现语音帧在其理想KLT基下投影向量的稀疏度为1。在此基础上，研究构造各语音帧的近似KLT基。第1步，取若干组原说话人的语音进行训练，提取各训练语音帧及其自相关矩阵的对角元素构成的行向量（下称为对角向量），分别构造两个模板集（称为模板集1和模板集2）。第2步，从模板集2中选取与测试语音对角向量 l（无穷）——范数相差最小的若干模板，用选取模板的非齐次线性组合来近似匹配测试语音的对角向量，求取非齐次线性组合系数，使得两者均方误差最小。第3步，由模板2元素所对应的模板1元素的非齐次线性组合，构造测试语音的近似自相关矩阵，对其进行特征值分解，构造近似KLT基。基于上述构造的近似KLT基，采取固定分配每帧观测个数和按帧能量自适应分配每帧观测个数两种方案，由语音信号与观测矩阵相乘构造相应的观测。再以观测为已知条件，利用 l1优化算法重构语音信号在基于模板匹配近似KLT域的稀疏系数向量，进而重构原始语音信号，并在Haar小波域利用平移不变降噪方法对 CS重构信号进行降噪。结果：对采样率为16 kHz的4位说话人进行实验，研究压缩率和重构信号分段信噪比（SNR）之间的关系发现：（1）重构信号的分段信噪比与选取模板的个数有关。相同压缩率时，选取模板的个数越大，重构信号的分段信噪比越大。但是，模板个数大到一定程度时效果的改善不再明显，实验发现模板个数为16时能达到分段信噪比和运算量的最佳折衷。（2）对于女声语音，自适应分配每帧观测个数能得到更高的分段 SNR；对于男声语音，固定分配每帧观测个数能得到更高的分段SNR。这是因为女声语音在近似KLT基下的稀疏性稍差且相对不稳定，自适应分配每帧观测个数利于能量较大帧的更好恢复从而改善整体性能，而男声语音在近似KLT基下稀疏性好且稳定，固定分配每帧观测个数能兼顾到稀疏性不太好的帧从而有利于提高整体性能。（3）当压缩率为0.5时，女声语音采用自适应观测进行CS重构，分段信噪比达到15 dB以上，平均意见得分（MOS）分达到3.30；男声语音采用固定观测进行CS重构，分段信噪比达到18 dB以上，MOS分达到3.71。结论：本文在构造基于模板匹配的近似KLT基的基础上，研究语音信号在近似KLT基下的CS性能。同时还针对语音信号各帧包含的信息不尽相同的特点，提出对各帧进行自适应分配观测个数进行CS重构，并将自适应分配和固定分配每帧观测个数方案下的语音信号CS性能进行比较。实验表明语音信号在基于模板匹配的近似KLT基下具有近似稀疏性，具有良好的CS性能。

来源出版物：电子与信息学报, 2009, 31(12): 2948-2952

入选年份：2014

一种超薄吸波材料及其在缝隙天线中的应用

杨欢欢，曹祥玉，高军，等

摘要：目的：随着隐身技术的发展，天线系统的雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）日益成为制约目标整体隐身性能的瓶颈。与普通目标不同，天线RCS减缩的难点在于对辐射和散射性能的兼顾，因此，常规的隐身技术并不能简单用于天线，尤其对天线工作频段内的RCS减缩十分困难。本文探索了利用超材料电磁特性减缩天线工作频带内的RCS。方法：超材料利用周期的人工微结构实现自然界材料所不具备的奇异电磁特性。本文采用旋转对称的人工微结构设计了一种极化稳定的超薄吸波体，并利用等效电路法分析了该结构的吸波机理。通过检测吸波体表面的电场、电流分布，进一步从“场”的角度阐述了吸波体的工作机理。基于该吸波体超薄、无表面损耗层和高吸波率的特点，通过适当的加载方式，提出利用该吸波体减缩天线工作频带内 RCS，同时保证天线良好辐射性能的方法。结果：（1）从超材料的等效电路分析可以看出，通过适当的微结构设计，超材料与自由空间在特定频率下阻抗完全匹配，自由空间电磁波将无反射进入超材料的微结构内，而超材料的金属背板保证了电磁波透射为零，这样电磁能量将通过介质损耗和金属欧姆损耗转变成热能被吸收。（2）从检测到吸波体的表面电场、电流分布可以看出，入射波的电场分量与设计结构左右两侧的金属作用，产生了电偶极子响应，构成了两个电极，并与金属地板强烈耦合，形成了类似于LC的谐振回路，产生电谐振；入射波的磁场分量在吸波体表面和背板的金属间产生了水平方向的磁谐振，相应地激发出反向平行的电流，电、磁谐振同频产生，使吸波体能几乎100%吸收入射波的电、磁场能量。（3）采用旋转对称的结构设计，使吸波体对斜60°角照射的不同极化电磁波都有85%以上的吸收，对于垂直照射电磁波，吸收率达99.9%。（4）将该吸波体加载于波导缝隙天线的辐射口面周围后，测试得到天线的工作频率、带宽和方向图、增益变化都很小。（5）加载吸波体后，天线RCS对不同极化的入射波在5.48～5.68 GHz减缩都在3 dB以上，最大减缩量均超过17 dB，天线最大辐射方向的RCS峰值得到较好的抑制，且在－21°～21°的空域内 RCS减缩在 3 dB以上。结论：超材料呈现的奇异电磁特性为天线工作频带内RCS的减缩提供了新思路。本文利用超材料的电磁谐振特性，设计了一种超薄吸波体，其厚度仅有λ/175，吸波率达99.9%。通过分析吸波体的吸波机理，阐述了其不需要表面的集总损耗层即可实现理想的吸波效果，因此非常适合于天线工作频带内RCS的减缩。将该吸波体加载于波导缝隙天线，不仅保持了天线的良好辐射性能，而且可以在宽角域内有效减缩天线带内RCS，尤其是天线最大辐射方向的RCS峰值可以得到明显抑制。

来源出版物：电子与信息学报, 2012, 34(11): 2790-2794

入选年份：2014

基于变采样率的多假设预测分块视频压缩感知

练秋生，陈书贞，郭伟，等

摘要：目的：平均分配采样率的测量方式忽略了视频中不同区域的结构复杂度和变化程度不同的事实。针对这一问题，该文根据视频帧间相关性的分布特点，探索能够高质量重构图像并合理分配采样率的变采样率压缩感知方法。方法：利用图像块帧间相关性的大小分配不同的采样率，采用变采样率多假设预测算法以充分利用帧间相关性对图像块进行重构。首先，利用相同的测量矩阵得到目标帧与其参考帧对应块的测量向量，根据其差值能量将图像块分为3类：近似不变块、缓慢变化块和快速变化块。再对不同类别的块分别选用不同的采样率处理。这种测量方法能够根据不同块具有的不同场景复杂度和变化强度自适应调整自身的测量点数（即块采样率），从而达到合理分配采样率的目的。在接收端，首先利用基于光滑L0（Smoothed L0）范数的方法来快速重构参考帧，并将其作为非参考帧的变采样率多假设预测重构的参考。其次，通过变采样率的多假设预测根据变采样率的测量值得到预测帧，并用基于冗余残差字典的迭代加权最小二乘法的ε；正则化模型重构预测残差，最终得到高质量的重构帧，本文提出的基于变采样率测量的视频压缩感知过程所示。结果：对多假设帧预测方法（MHFP）软件包中的4组标准视频序列测试本文提出的算法性能，可以得到以下结果：（1）在其余条件完全相同的情况下（选用与多假设帧预测方法中相同的随机投影矩阵、参考帧和残差重构算法），实验数据说明使用变采样率测量方法（VS-MHFP1）与MHFP的重构结果相比，重构峰值信噪比（PSNR）有所提高，说明仅仅依靠变采样率的测量方式就能够使得测试序列的重构质量改善。（2）给出了本文提出的视频压缩感知重构算法 VS-MHFP2与 MHFP及FS-MHFP的性能比较。可以看出本文算法的重构质量优于后两者。其中 FS-MHFP表示固定采样率的多假设预测重构方法（除采样方式外，FS-MHFP的其它条件与VS-MHFP2相同）。就客观评价而言，VS-MHFP2的重构图像的PSNR比MHFP 和FS-MHFP均有提高，Foreman，News，Susie，Football分别提高2.67 dB，5.55 dB，2.52 dB，2.95 dB和1.29 dB，2.70 dB，1.76 dB，0.64 dB。（3）就主观视觉而言，从图2中可以看出本文算法VS-MHFP2能够有效重构视频中的主要运动区域。Foreman局部放大图中可以看出，FS-MHFP算法重构的运动程度较大部分（例如嘴唇周围部分）具有明显的块效应，而VS-MHFP2能够有效消除块效应，提高重构质量。（4）对于较简单的测试序列如Susie序列，本文方法可以自适应降低总采样率，并且能够保证很好的重构质量。而对于较复杂的测试序列如Football序列，本文方法则能够自适应增大采样率，确保一个可以接受的重构质量。结论：视频中不同的运动目标可能以不同方式运动，因此不同区域的帧间相关性不同。基于这一认识，本文提出一种充分利用帧间相关性的变采样率视频压缩感知算法，对于非参考帧的测量，按照不同区域相对参考帧的不同变化程度合理分配采样率以获得高效采样，该采样方式能够根据不同视频场景的结构和运动自适应调整采样策略以合理分配采样率。在重构端，采用变采样率多假设预测方法来达到充分利用帧间相关性的目的，并利用稀疏表示先验进行残差重构。实验结果表明该文算法能够在低采样率下重构出高质量的视频图像，而且这种变采样率测量的方式有利于提高运动剧烈区域的重构质量。

来源出版物：电子与信息学报, 2013, 35(1): 203-208

入选年份：2014

基于目标函数的直觉模糊集合数据的聚类方法

申晓勇，雷英杰，李进，等

摘要：直觉模糊集合可以描述“非此非彼”的“模糊概念”，更加细腻地刻画客观世界的模糊性本质。近年来基于直觉模糊集合的模式识别、数据挖掘、计算机视觉和模糊控制等许多领域的研究，均要求对数据进行聚类分析。目前关于直觉模糊聚类的文献比较少，个别学者提出了基于直觉模糊等价矩阵及其截矩阵的聚类方法。该方法花费大量时间计算直觉模糊等价矩阵的传递闭包，实时性较差，且没有考虑样本数据各维特征分配不均匀的情况。在传统的模糊聚类方法中，如基于相似性关系和模糊关系的方法、基于模糊关系的传递闭包方法、基于模糊图论的最大支撑树方法等，均不能适用于大数据量的情况，难以满足实时性要求较高的场合，实际中受到普遍欢迎的是基于目标函数的模糊聚类方法。针对直觉模糊集合数据的聚类问题，提出了一种基于目标函数的聚类方法。该方法通过直觉模糊数描述观测样本各维特征矢量，定义了直觉模糊集合间的加权相似性准则，并证明其满足直觉模糊集相异度度量的4条公理，解决了数据聚类过程中各维特征分配不均匀的问题。通过增加非隶属度参数对FCM聚类算法中的模糊划分矩阵U和目标函数进行改造，进而给出迭代推导公式和算法描述。首先给定聚类类别数，设定迭代停止阈值和迭代计数器，初始化聚类原型；然后计算划分隶属矩阵和划分非隶属矩阵，更新聚类原型模式矩阵，通过计算新旧聚类原型模式矩阵的范数判定算法是否停止，从而输出最终的划分隶属矩阵、划分非隶属矩阵和聚类原型。该算法把聚类归结为一个带约束的线性规划问题，通过优化求解获得数据集的聚类结果，可用于解决大数据量以及实时性要求很高的聚类问题，且易于在计算机上实现。通过实例验证该方法不仅提高了聚类性能，而且得到划分非隶属矩阵，获取了更多关于样本分类的信息，在态势评估、威胁评估、数据挖掘等诸多领域将有着良好的应用前景。只要对该算法进行合理初始化，可以减少迭代次数，从而降低算法的计算复杂度，但是初始聚类原型的选择是否合理，对于该算法的性能有一定影响，在后续研究中将着重解决。

来源出版物：系统工程与电子技术, 2009, 31(11): 2732-2735入选年份：2014

迭代F-内嵌入信息生成及其遗传发现-应用

于秀清

摘要：P-集合（Packet sets）是由内P-集合（internal packet set）与外P-集合（outer packet set）共同构成的元素集合对；或者是P-集合。P-集合具有动态特征，在一定条件下，P-集合被还原成有限普通元素集合 X。P-集合是把动态特性引入到有限普通元素集合X内，改进有限普通元素集合，在2008年被中国山东大学史开泉教授提出；P-集合是一个原创性的研究。有限普通元素集合X，内P-集合，外P-集合满足关系：如果把X，内P-集合，外P-集合分别定义成信息X，内P-信息，外P-信息，则由1得到内P-信息被嵌入在信息X内；则由2得到外P-信息被嵌入在信息X外，信息嵌入是P-集合的一个重要应用特性。论文中把迭代方法，生物遗传特性与 P-集合的嵌入特性相结合，给出迭代内 P-嵌入信息概念，给出迭代内 P-嵌入信息存在性定理，迭代内 P-嵌入信息链定理与迭代内 P-嵌入信息的嵌入度定理，给出迭代内 P-嵌入信息的遗传特征与遗传定理，给出遗传信息的还原方法。利用这些结果，给出迭代内 P-嵌入信息在未知信息遗传发现的应用。论文中的应用例子来自信息采集与信息分类系统。应用例子中给出信息的分离—筛选方法与分离—筛选的认证。信息嵌入与信息遗传是P-集合的两个重要应用特性，它已被应用到机器人视觉识别的研究中，论文中应用例子给出的结果在实验中得到验证，信息的遗传意义是：与X满足，它表示X内的部分信息元在内；或者，X内的部分信息元被遗传到内。与X满足，它表示X内的所有信息元在内；或者X内的所有信息元被遗传到内。2011年和 2012年，史开泉教授改进了 P-集合，分别提出函数 P-集合（Function Packet sets）和逆P-集合（inverse Packet sets）、函数逆P-集合（Function inverse Packet sets），在中国，它们已获得了多个重要应用。

来源出版物：系统工程与电子技术, 2011, 33(12): 2691-2695

入选年份：2014

有人机/无人机编队协同任务分配方法

刘跃峰，张安

摘要：有人机/无人机编队协同任务分配问题是有人机/无人机协同作战的重要研究内容之一，其目的是在满足各项战术和技术指标的前提下，将不同位置、价值和威胁程度的目标合理地分配给不同的无人机，并对无人机进行编队和设计粗略路径，使得有人机/无人机编队的整体作战收益最大，代价最小。协同任务分配是一个约束众多而复杂的优化问题，其解空间随武器总数和任务总数的增加而呈指数级增加，使其成为一个多参数、多约束的NP问题。任务分配方法是任务控制过程的重要组成部分，是编队协同作战指挥策略的关键。传统集中式任务分配方法虽然在一定条件下能够获得全局最优解，但在实际应用中存在许多不足，在无人机自主能力不断提高的趋势下，采用单一的集中式控制往往会束缚无人机自主性的发挥，提高多无人机的分布式控制能力是智能化、自主化发展的必然要求。基于合同网协议的任务分配方法是分布式任务分配问题求解的常用方法，具备原理简单，易于实现，分配效率高等特点。本文以合同网协议和多智能体系统理论为基础，建立了有人机/无人机编队多智能体系统结构和基于合同网协议的任务分配模型，通过节点之间的招标—投标—中标过程实现无人机任务分配，使系统以较低的代价、较高的质量完成分布式任务。为了体现相关联任务执行紧迫程度的差别，将任务优先权引入任务分配模型中，综合考虑目标类型、目标价值、作战能力、威胁指数等相关态势信息以及有人机的指令，确定目标优先级。所采用任务分配方法可以实现单架无人机执行多个任务和多架无人机联合执行同一任务分配模式，完成预先任务分配和执行过程中的动态任务分配，保证动态环境下的编队整体分配效能较优，提高了无人机编队的动态战场适应能力和突发威胁应对能力。针对作战想定进行了仿真计算，结果表明，无论是预先任务分配还是动态任务分配，基于合同网协议的任务分配方法都具有良好的时间效率和分配效果，相对于集中式任务分配方法更加符合有人机/无人机编队协同作战的特点和任务需求。

来源出版物：系统工程与电子技术, 2010, 32(3): 584-588

入选年份：2014

基于压缩感知的DOA估计稀疏化模型与性能分析

林波，张增辉，朱炬波

摘要：目的：阵列信号到达角（Direction-Of-Arrival，DOA）估计是阵列信号处理领域的关键问题，在雷达、通讯、地震等众多领域有广泛应用。利用压缩感知可以用远少于经典理论所需的测量数据精确恢复满足稀疏性的信号或者估计其相应的信号参数这一特点，可以实现用少量甚至单个快拍数据进行辐射源DOA的准确估计。将压缩感知理论应用于DOA估计问题，首先要建立合适的稀疏表示和重构模型。本文分析空间稀疏化方式对DOA估计性能的影响，探索信号的最优稀疏表示模型。方法：本文利用压缩感知的相关性条件，建立用于辐射源DOA估计的最优稀疏表示模型。首先，我们建立DOA估计问题的稀疏重构模型。根据阵列接收信号的数学模型，将感兴趣的角度空间离散化，并假设每个离散的空间位置对应一个潜在的辐射源，那么我们可以获得真实辐射源信号的稀疏化扩展矢量，即实际存在信号的空间位置对应的元素非0，而不存在信号的空间位置对应的元素则为0。据此建立可实现DOA估计的稀疏重构模型后，利用适当的重构算法即可得到辐射源信号的稀疏化扩展矢量，进而获得对应的 DOA估计结果。为保证有效恢复稀疏信号，空间离散化以后的阵列流形矩阵需满足相关性条件的限制。本文通过数学计算对比等正弦空域稀疏化模型对应的阵列流形矩阵和等角度空域划分的流形矩阵相关性的大小来得到最优的空间稀疏化模型。结果：从数学计算和数值实验的结果可知，空域等正弦稀疏化模型对应的阵列流形矩阵的相关性比等角度稀疏化模型对应的阵列流形矩阵的相关性要小。因此，等正弦稀疏化模型下利用稀疏重构算法得到的辐射源信号重构性能比等角度稀疏化模型下利用稀疏重构算法得到的辐射源信号重构性能要好：（1）等正弦稀疏重构几乎可以完全重构原始的辐射源信号，而等角度稀疏重构在相同的参数设置条件下存在较大的重构误差；（2）不同信噪比和不同信源数设置下，等正弦稀疏重构得到的信号重构误差比等角度稀疏重构得到的信号重构误差要小；（3）不同信噪比下，等正弦稀疏重构得到的DOA估计成功概率比等角度稀疏重构得到的DOA估计成功概率要大。结论：将压缩感知理论应用于阵列信号的DOA估计问题中，基于相关性条件的理论分析，给出了最优的等正弦稀疏表示模型，结果表明等正弦信号空间稀疏化对应的阵列流形矩阵的相关性比传统的等角度信号空间稀疏化得到的阵列流形矩阵要小，具有更加显著的稀疏重构性能。近几年已有不少研究利用多测量矢量模型、一般误差模型的压缩感知理论和网格细化处理等方法以进一步提高稀疏重构方法的超分辨性能，而结合最新的数学理论和方法设计具有最优性能的稀疏重构模型仍是进行上述研究的前提之一，这也是今后需要进一步研究的工作。

来源出版物：电子与信息学报, 2014, 36(3): 589-594

入选年份：2014

基于滚动时域控制的再入轨迹跟踪制导律

吴旭忠，唐胜景，郭杰，等

摘要：采用标称轨迹制导策略设计再入制导律，制导律可分为参考轨迹生成和轨迹跟踪两部分。在跟踪制导律的设计过程中，为了提高再入制导律的实时性和鲁棒性，提出一种基于滚动时域控制和间接Legendre伪谱法的轨迹跟踪方法。参考轨迹为离线求解满足多种约束条件下的最优轨迹。利用伪谱法将多约束轨迹优化问题转化为非线性规划问题，并采用序列二次规划的方法求解所生成的非线性规划问题。在线轨迹跟踪制导律的设计过程分三步进行。第一，将参考轨迹的跟踪问题转化为线性时变系统的状态调节问题，即转化为线性两点边值问题。第二，求解两点边值问题。传统的方法需要通过反向积分Riccati微分方程，计算量较大难以在线实现。为了解决实时性问题，采用间接 Legendre伪谱法求解两点边值问题。第三，引入滚动时域控制策略。为了获得较高的节点精度，需要采用较多的Legendre-Gauss-Lobatto点。但是，Legendre-Gauss-Lobatto点越多，求解两点边值问题的计算量越大，从而不利于跟踪制导律的在线实现。论文引入了滚动时域控制策略，每次只需计算一段时间内的轨迹跟踪问题，从而可以采用较少的Legendre-Gauss-Lobatto点，降低了制导律在线计算量。综上，论文采用滚动时域控制结合基于间接Legendre伪谱法的最优反馈控制算法设计出一种易于在线实现的制导律。基于上述工作完成了亚轨道滑翔式飞行器制导过程的3自由度数值仿真研究工作，主要有：（1）在初始状态有较大范围扰动下，通过Monte Carlo仿真方法对开环控制和闭环控制下的轨迹状态偏差进行对比；（2）通过在动力学模型中加入较大气动参数误差，在动态干扰情况下对制导律进行验证；（3）统计闭环制导律的计算时间，评估制导律的实时性。研究结果表明，论文提出的再入跟踪制导方法能够很好地消除初始扰动和动态干扰带来的状态偏差，具有较强的鲁棒性，同时能够很好地满足实时性要求。

来源出版物：系统工程与电子技术, 2014, 36(8): 1602-1608

入选年份：2014