航天飛行器總體性能仿真驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李杰奇 ，孔 福 ，李爭(zhēng)學(xué) ，彭 健

（1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2.北京機(jī)電工程總體設(shè)計(jì)部，北京 100854）

0 引言

航天飛行器是一種十分昂貴的系統(tǒng)，在進(jìn)入外場(chǎng)前對(duì)系統(tǒng)的各分系統(tǒng)都必須在陸地上做大量的試驗(yàn)、仿真。地面仿真驗(yàn)證最好的方式之一即采用半實(shí)物仿真系統(tǒng)構(gòu)成的環(huán)境來(lái)試驗(yàn)，這樣最接近實(shí)際，可以使各分系統(tǒng)的傳感器在最大程度上充分暴露主系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，節(jié)省大量時(shí)間及財(cái)力。

本文構(gòu)建的半實(shí)物仿真系統(tǒng)旨在采用靈活的試驗(yàn)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，總體方案深化論證，分系統(tǒng)及總體性能指標(biāo)測(cè)試，飛行全過(guò)程展現(xiàn)方式的多重復(fù)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)飛行器總體性能和技術(shù)指標(biāo)的快速考核和驗(yàn)證，及早發(fā)現(xiàn)總體方案及相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)的缺陷或不足，有效推進(jìn)項(xiàng)目研制、提高研制效率、節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)功能

總體性能仿真驗(yàn)證系統(tǒng)具備以下功能：

1）總體方案的設(shè)計(jì)、評(píng)估和驗(yàn)證。能夠在多種飛行環(huán)境和工作狀態(tài)下綜合評(píng)估飛行器總體方案的性能指標(biāo)，驗(yàn)證各分系統(tǒng)功能的正確性和配合工作的協(xié)調(diào)性。

2）綜合演示。半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以對(duì)飛行器總體方案進(jìn)行多屏融合虛擬視景演示、功能樣機(jī)實(shí)物運(yùn)動(dòng)演示以及全程飛行參數(shù)和性能指標(biāo)綜合展示。

3）飛行軌跡的分析和驗(yàn)證。半實(shí)物仿真系統(tǒng)能夠進(jìn)行飛行器全程軌跡設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，在標(biāo)準(zhǔn)工況和偏差條件下考核過(guò)程和終端約束條件的滿足情況，分析飛行穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)能力。

4）導(dǎo)航/制導(dǎo)/控制系統(tǒng)的分析和驗(yàn)證。半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以對(duì)飛行器導(dǎo)航/制導(dǎo)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備和軟件算法能進(jìn)行分析和驗(yàn)證，識(shí)別惡劣飛行工況和飛行階段，考核其在各種工作條件下的導(dǎo)航制導(dǎo)精度和控制穩(wěn)定性。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由六大分系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1）試驗(yàn)總控分系統(tǒng)

試驗(yàn)總控分系統(tǒng)負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的綜合調(diào)度和管理，可以對(duì)仿真設(shè)備和試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行初始檢測(cè)和配置，可以控制系統(tǒng)試驗(yàn)的開始、暫停和終止，可以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄、顯示和分析。

2）實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)

實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)負(fù)責(zé)編輯和實(shí)時(shí)運(yùn)行飛行動(dòng)力學(xué)程序，驅(qū)動(dòng)硬件接口設(shè)備以指定格式的通訊編碼和通訊周期實(shí)現(xiàn)仿真程序與外部仿真設(shè)備和試驗(yàn)對(duì)象的數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)采集、記錄、顯示和分析系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)。

3）視景仿真分系統(tǒng)

視景仿真分系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示或非實(shí)時(shí)回放飛行器全任務(wù)過(guò)程的虛擬場(chǎng)景，既包括飛行器本體的位置、姿態(tài)變化以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)過(guò)程，還包括大范圍高分辨率的地貌、星空、海洋等環(huán)境特效，以及飛行器再入激波、發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰、有效載荷分離、命中目標(biāo)爆炸等事件特效，使試驗(yàn)人員產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。

4）飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)

飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)承載飛行器的慣性測(cè)量設(shè)備，接收并跟蹤實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)發(fā)送的飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)指令，將其轉(zhuǎn)換為可被傳感器測(cè)量的物理環(huán)境，為慣性測(cè)量設(shè)備提供試驗(yàn)條件。

5）運(yùn)動(dòng)演示平臺(tái)分系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)演示平臺(tái)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)承載飛行器功能樣機(jī)分系統(tǒng)，接收并跟蹤實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)發(fā)送的飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)指令，復(fù)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，為功能樣機(jī)提供集成測(cè)試的飛行環(huán)境。

6）飛行器功能樣機(jī)分系統(tǒng)

飛行器功能樣機(jī)既可以按總體裝配方案考核結(jié)構(gòu)形式、空間布局、裝配流程和操作可達(dá)性，還可以結(jié)合飛行動(dòng)力學(xué)程序、飛行控制程序和航電綜合單元在半實(shí)物仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的集成測(cè)試環(huán)境中對(duì)飛行器總體方案的性能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析和驗(yàn)證。

各系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)相似性方案設(shè)計(jì)

為保障總體性能仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果盡量逼近真實(shí)的飛行狀態(tài)，所有仿真設(shè)備和仿真軟件的研制需以相似性原則為基礎(chǔ)，主要考慮了總體性能仿真驗(yàn)證的時(shí)間相似性、運(yùn)動(dòng)相似性、程序相似性和邏輯相似性方案。

1）時(shí)間相似性方案

總體性能仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真設(shè)備包括實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)、飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控設(shè)備和運(yùn)動(dòng)演示平臺(tái)測(cè)控設(shè)備。實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)采用Windows+RTX的實(shí)時(shí)系統(tǒng)方案，飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)和運(yùn)動(dòng)演示平臺(tái)作為物理效應(yīng)設(shè)備，其測(cè)控設(shè)備也選擇Windows+RTX的實(shí)時(shí)解決方案，實(shí)時(shí)仿真設(shè)備之間的通訊網(wǎng)絡(luò)選擇具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性的光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。

2）運(yùn)動(dòng)相似性方案

運(yùn)動(dòng)相似性原則要求總體性能仿真驗(yàn)證系統(tǒng)中物理效應(yīng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)范圍與真實(shí)狀態(tài)保持一致，同時(shí)具有較高的靜態(tài)定位精度和動(dòng)態(tài)跟蹤特性，故而要求物理效應(yīng)設(shè)備與仿真應(yīng)用需求相匹配。

3）軟件相似性方案

軟件相似性原則要求試驗(yàn)系統(tǒng)中的各模型盡可能逼真地描述真實(shí)飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，需考慮足夠的偏差和干擾影響因素，并經(jīng)過(guò)模型驗(yàn)證。

4）邏輯相似性方案

邏輯相似性原則要求試驗(yàn)系統(tǒng)中參試設(shè)備的工作時(shí)序、工作周期和通訊內(nèi)容與真實(shí)飛行情況保持一致，相關(guān)仿真設(shè)備功能和技術(shù)指標(biāo)要與之匹配。

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)總控分系統(tǒng)

試驗(yàn)總控分系統(tǒng)主要由試驗(yàn)總控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制終端、觸控展示設(shè)備、以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、系統(tǒng)配套線纜、試驗(yàn)總控軟件、觸控展示軟件組成。試驗(yàn)總控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行試驗(yàn)總控軟件，用于配置半實(shí)物仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的工作模式、控制系統(tǒng)工作進(jìn)程、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)。觸控展示設(shè)備上運(yùn)行觸控展示軟件，支持試驗(yàn)人員以觸摸方式對(duì)試驗(yàn)總控軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程快捷操作，并以綜合儀表的形式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。遠(yuǎn)程控制終端用于對(duì)試驗(yàn)總控計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，使試驗(yàn)人員遠(yuǎn)離試驗(yàn)設(shè)備噪音和輻射的影響，保障工作環(huán)境的安全性和舒適性。以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為飛試系統(tǒng)中仿真設(shè)備的信息互聯(lián)互通提供硬件支撐。

2.2 實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)

實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制終端、信號(hào)調(diào)理與適配箱、系統(tǒng)配套線纜、實(shí)時(shí)仿真控制軟件組成。實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)上部署實(shí)時(shí)仿真控制軟件，用于編輯和運(yùn)行實(shí)時(shí)仿真程序、與外部分系統(tǒng)進(jìn)行信息交互、監(jiān)控實(shí)時(shí)仿真的運(yùn)行狀態(tài)。信號(hào)調(diào)理與適配箱用于實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)與外部分系統(tǒng)間電氣連接器的適配和接口信號(hào)的調(diào)理。

2.3 視景仿真分系統(tǒng)

視景仿真分系統(tǒng)主要由視景仿真計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制終端、投影機(jī)、視頻矩陣、投影屏幕、音響設(shè)備、系統(tǒng)配套線纜、視景仿真模型庫(kù)等組成。視景仿真計(jì)算機(jī)上部署視景仿真模型庫(kù)和視景仿真控制軟件，用于調(diào)度仿真模型、驅(qū)動(dòng)仿真場(chǎng)景、逼真地再現(xiàn)仿真環(huán)境、實(shí)時(shí)響應(yīng)試驗(yàn)人員操作。

2.4 飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)

飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)主要由飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械臺(tái)體、飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控設(shè)備、遠(yuǎn)程控制終端、系統(tǒng)配套線纜、飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)控制軟件組成。機(jī)械臺(tái)體是最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)3個(gè)自由度的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。測(cè)控設(shè)備負(fù)責(zé)伺服驅(qū)動(dòng)和狀態(tài)控制，包括驅(qū)動(dòng)電源、測(cè)控計(jì)算機(jī)、操作切換電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等器件。

2.5 運(yùn)動(dòng)演示平臺(tái)分系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)演示平臺(tái)分系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)演示平臺(tái)機(jī)械臺(tái)體、運(yùn)動(dòng)演示平臺(tái)測(cè)控設(shè)備、遠(yuǎn)程控制終端、系統(tǒng)配套線纜、運(yùn)動(dòng)演示平臺(tái)控制軟件組成。機(jī)械臺(tái)體是最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括三自由度機(jī)械軸系、底座、電機(jī)和測(cè)量元件?？刂栖浖渴鹪跍y(cè)控計(jì)算機(jī)上，利用人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)平臺(tái)初始化配置、試驗(yàn)進(jìn)程控制和試驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.6 飛行器功能樣機(jī)分系統(tǒng)

飛行器功能樣機(jī)分系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)單元、機(jī)構(gòu)單元、熱防護(hù)單元、有效載荷單元、RCS動(dòng)力單元、航電綜合單元、飛行動(dòng)力學(xué)程序、飛行控制程序組成。硬件設(shè)備中除地面電源以外的部分都集成在飛行器功能樣機(jī)內(nèi)部，按照與真實(shí)飛行器1∶1的尺寸關(guān)系，依據(jù)實(shí)際裝配流程進(jìn)行總裝。飛行動(dòng)力學(xué)程序部署在實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)中，代表真實(shí)飛行器的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。飛行控制程序部署在飛行控制計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)全任務(wù)周期的飛行時(shí)序控制、控制指令輸出以及與試驗(yàn)總控分系統(tǒng)的遙控遙測(cè)功能。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

針對(duì)某飛行器研制過(guò)程開展了飛行性能驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了飛行器從發(fā)射到落地的全飛行過(guò)程仿真。其中，飛行器結(jié)構(gòu)樣機(jī)、飛控機(jī)、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、飛行器、慣組設(shè)備、電源、測(cè)控通訊等航電分系統(tǒng)的單機(jī)設(shè)備均使用真實(shí)實(shí)物設(shè)備。飛行動(dòng)力學(xué)模型利用實(shí)時(shí)數(shù)值仿真模擬，慣組固定在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上輸出慣組信息，飛行器結(jié)構(gòu)樣機(jī)固定于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上模擬真實(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，飛控機(jī)、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、航電分系統(tǒng)單機(jī)均安裝于飛行器相應(yīng)位置。測(cè)試包括飛行器的質(zhì)量慣量、氣動(dòng)外形、動(dòng)力特性、標(biāo)準(zhǔn)彈道等總體設(shè)計(jì)方案的合理性和制導(dǎo)姿控系統(tǒng)的有效性。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證半實(shí)物仿真系統(tǒng)與數(shù)值仿真結(jié)果基本保持一致，證明半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以比較準(zhǔn)確地反應(yīng)飛行器總體性能。另外試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明所驗(yàn)證方案合理、制導(dǎo)姿控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效。

本半實(shí)物仿真系統(tǒng)融合了飛行器導(dǎo)航/制導(dǎo)/控制、供配電、測(cè)控通信、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、控制反推動(dòng)力

等多個(gè)分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大尺寸、大負(fù)載對(duì)象的大范圍姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬，提供了多專業(yè)開展飛行器總體性能和技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證的試驗(yàn)手段，解決了仿真設(shè)備和試驗(yàn)對(duì)象之間不同通訊方式的分布式處理和集中控制問(wèn)題，降低了設(shè)備之間的耦合度，更為全面真實(shí)地反應(yīng)了飛行器整體性能。

4 結(jié)論

本文通過(guò)構(gòu)建半實(shí)物仿真系統(tǒng)，形成了航天飛行器總體性能仿真與演示驗(yàn)證環(huán)境，提供了從多個(gè)專業(yè)角度對(duì)飛行器總體性能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證的試驗(yàn)手段。在總體參數(shù)驗(yàn)證評(píng)估、試驗(yàn)控制、實(shí)時(shí)仿真、數(shù)據(jù)展示、觸控交互等方面做出了技術(shù)突破，目前該項(xiàng)目已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)在研型號(hào)項(xiàng)目的綜合性能演示驗(yàn)證中，縮短了研制周期，提升了總體方案的設(shè)計(jì)與展示效果，驗(yàn)證了系統(tǒng)總體性能。實(shí)踐證明，本文構(gòu)建的半實(shí)物仿真驗(yàn)證方法十分有效，可以推廣。

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