航天飞行器总体性能仿真验证系统设计与实现

李杰奇 ，孔 福 ，李争学 ，彭 健

（1.中国运载火箭技术研究院，北京 100076；2.北京机电工程总体设计部，北京 100854）

0 引言

航天飞行器是一种十分昂贵的系统，在进入外场前对系统的各分系统都必须在陆地上做大量的试验、仿真。地面仿真验证最好的方式之一即采用半实物仿真系统构成的环境来试验，这样最接近实际，可以使各分系统的传感器在最大程度上充分暴露主系统的薄弱环节，节省大量时间及财力。

本文构建的半实物仿真系统旨在采用灵活的试验手段，实现对飞行器关键技术验证，总体方案深化论证，分系统及总体性能指标测试，飞行全过程展现方式的多重复现；实现飞行器总体性能和技术指标的快速考核和验证，及早发现总体方案及相关专业设计的缺陷或不足，有效推进项目研制、提高研制效率、节约研制经费。

1 系统总体方案

1.1 系统功能

总体性能仿真验证系统具备以下功能：

1）总体方案的设计、评估和验证。能够在多种飞行环境和工作状态下综合评估飞行器总体方案的性能指标，验证各分系统功能的正确性和配合工作的协调性。

2）综合演示。半实物仿真系统可以对飞行器总体方案进行多屏融合虚拟视景演示、功能样机实物运动演示以及全程飞行参数和性能指标综合展示。

3）飞行轨迹的分析和验证。半实物仿真系统能够进行飞行器全程轨迹设计和仿真验证，在标准工况和偏差条件下考核过程和终端约束条件的满足情况，分析飞行稳定性和机动能力。

4）导航/制导/控制系统的分析和验证。半实物仿真系统可以对飞行器导航/制导控制系统的硬件设备和软件算法能进行分析和验证，识别恶劣飞行工况和飞行阶段，考核其在各种工作条件下的导航制导精度和控制稳定性。

1.2 系统组成

系统由六大分系统组成，如图1所示。

1）试验总控分系统

试验总控分系统负责全系统的综合调度和管理，可以对仿真设备和试验对象进行初始检测和配置，可以控制系统试验的开始、暂停和终止，可以对试验数据进行实时采集、记录、显示和分析。

2）实时仿真分系统

实时仿真分系统负责编辑和实时运行飞行动力学程序，驱动硬件接口设备以指定格式的通讯编码和通讯周期实现仿真程序与外部仿真设备和试验对象的数据交互，实时采集、记录、显示和分析系统运行的相关参数。

3）视景仿真分系统

视景仿真分系统负责实时显示或非实时回放飞行器全任务过程的虚拟场景，既包括飞行器本体的位置、姿态变化以及执行机构的响应过程，还包括大范围高分辨率的地貌、星空、海洋等环境特效，以及飞行器再入激波、发动机尾焰、有效载荷分离、命中目标爆炸等事件特效，使试验人员产生身临其境的感觉。

4）飞行模拟转台分系统

飞行模拟转台分系统负责承载飞行器的惯性测量设备，接收并跟踪实时仿真分系统发送的飞行器姿态运动指令，将其转换为可被传感器测量的物理环境，为惯性测量设备提供试验条件。

5）运动演示平台分系统

运动演示平台分系统负责承载飞行器功能样机分系统，接收并跟踪实时仿真分系统发送的飞行器姿态运动指令，复现飞行器的姿态运动过程，为功能样机提供集成测试的飞行环境。

6）飞行器功能样机分系统

飞行器功能样机既可以按总体装配方案考核结构形式、空间布局、装配流程和操作可达性，还可以结合飞行动力学程序、飞行控制程序和航电综合单元在半实物仿真验证系统的集成测试环境中对飞行器总体方案的性能和技术指标进行综合分析和验证。

各系统之间的关系如图2所示。

1.3 系统相似性方案设计

为保障总体性能仿真验证系统的试验结果尽量逼近真实的飞行状态，所有仿真设备和仿真软件的研制需以相似性原则为基础，主要考虑了总体性能仿真验证的时间相似性、运动相似性、程序相似性和逻辑相似性方案。

1）时间相似性方案

总体性能仿真验证系统的实时仿真设备包括实时仿真计算机、飞行模拟转台测控设备和运动演示平台测控设备。实时仿真计算机采用Windows+RTX的实时系统方案，飞行模拟转台和运动演示平台作为物理效应设备，其测控设备也选择Windows+RTX的实时解决方案，实时仿真设备之间的通讯网络选择具有强实时性的光纤反射内存网络。

2）运动相似性方案

运动相似性原则要求总体性能仿真验证系统中物理效应设备的运动范围与真实状态保持一致，同时具有较高的静态定位精度和动态跟踪特性，故而要求物理效应设备与仿真应用需求相匹配。

3）软件相似性方案

软件相似性原则要求试验系统中的各模型尽可能逼真地描述真实飞行器的运动学和动力学特征，需考虑足够的偏差和干扰影响因素，并经过模型验证。

4）逻辑相似性方案

逻辑相似性原则要求试验系统中参试设备的工作时序、工作周期和通讯内容与真实飞行情况保持一致，相关仿真设备功能和技术指标要与之匹配。

2 分系统设计

2.1 试验总控分系统

试验总控分系统主要由试验总控计算机、远程控制终端、触控展示设备、以太网络交换机、光纤反射内存网络交换机、系统配套线缆、试验总控软件、触控展示软件组成。试验总控计算机上运行试验总控软件，用于配置半实物仿真验证系统的工作模式、控制系统工作进程、监测系统工作状态。触控展示设备上运行触控展示软件，支持试验人员以触摸方式对试验总控软件进行远程快捷操作，并以综合仪表的形式对试验数据进行实时展示。远程控制终端用于对试验总控计算机进行远程操作，使试验人员远离试验设备噪音和辐射的影响，保障工作环境的安全性和舒适性。以太网络交换机和光纤反射内存网络交换机为飞试系统中仿真设备的信息互联互通提供硬件支撑。

2.2 实时仿真分系统

实时仿真分系统主要由实时仿真计算机、远程控制终端、信号调理与适配箱、系统配套线缆、实时仿真控制软件组成。实时仿真计算机上部署实时仿真控制软件，用于编辑和运行实时仿真程序、与外部分系统进行信息交互、监控实时仿真的运行状态。信号调理与适配箱用于实时仿真计算机与外部分系统间电气连接器的适配和接口信号的调理。

2.3 视景仿真分系统

视景仿真分系统主要由视景仿真计算机、远程控制终端、投影机、视频矩阵、投影屏幕、音响设备、系统配套线缆、视景仿真模型库等组成。视景仿真计算机上部署视景仿真模型库和视景仿真控制软件，用于调度仿真模型、驱动仿真场景、逼真地再现仿真环境、实时响应试验人员操作。

2.4 飞行模拟转台分系统

飞行模拟转台分系统主要由飞行模拟转台机械台体、飞行模拟转台测控设备、远程控制终端、系统配套线缆、飞行模拟转台控制软件组成。机械台体是最终的执行机构，实现俯仰、偏航和滚转3个自由度的姿态运动。测控设备负责伺服驱动和状态控制，包括驱动电源、测控计算机、操作切换电路和电机驱动器等器件。

2.5 运动演示平台分系统

运动演示平台分系统主要由运动演示平台机械台体、运动演示平台测控设备、远程控制终端、系统配套线缆、运动演示平台控制软件组成。机械台体是最终的执行机构，包括三自由度机械轴系、底座、电机和测量元件。控制软件部署在测控计算机上，利用人机交互界面实现平台初始化配置、试验进程控制和试验状态监测。

2.6 飞行器功能样机分系统

飞行器功能样机分系统主要由结构单元、机构单元、热防护单元、有效载荷单元、RCS动力单元、航电综合单元、飞行动力学程序、飞行控制程序组成。硬件设备中除地面电源以外的部分都集成在飞行器功能样机内部，按照与真实飞行器1∶1的尺寸关系，依据实际装配流程进行总装。飞行动力学程序部署在实时仿真分系统中，代表真实飞行器的动力学和运动学特性。飞行控制程序部署在飞行控制计算机中，实现全任务周期的飞行时序控制、控制指令输出以及与试验总控分系统的遥控遥测功能。

3 系统实现与验证

针对某飞行器研制过程开展了飞行性能验证试验，实现了飞行器从发射到落地的全飞行过程仿真。其中，飞行器结构样机、飞控机、控制执行机构、飞行器、惯组设备、电源、测控通讯等航电分系统的单机设备均使用真实实物设备。飞行动力学模型利用实时数值仿真模拟，惯组固定在三轴转台上输出惯组信息，飞行器结构样机固定于运动平台上模拟真实运动姿态，飞控机、控制执行机构、航电分系统单机均安装于飞行器相应位置。测试包括飞行器的质量惯量、气动外形、动力特性、标准弹道等总体设计方案的合理性和制导姿控系统的有效性。

经试验验证半实物仿真系统与数值仿真结果基本保持一致，证明半实物仿真系统可以比较准确地反应飞行器总体性能。另外试验结果同时表明所验证方案合理、制导姿控系统设计有效。

本半实物仿真系统融合了飞行器导航/制导/控制、供配电、测控通信、结构机构、控制反推动力

等多个分系统，实现了对大尺寸、大负载对象的大范围姿态运动模拟，提供了多专业开展飞行器总体性能和技术指标验证的试验手段，解决了仿真设备和试验对象之间不同通讯方式的分布式处理和集中控制问题，降低了设备之间的耦合度，更为全面真实地反应了飞行器整体性能。

4 结论

本文通过构建半实物仿真系统，形成了航天飞行器总体性能仿真与演示验证环境，提供了从多个专业角度对飞行器总体性能和技术指标进行验证的试验手段。在总体参数验证评估、试验控制、实时仿真、数据展示、触控交互等方面做出了技术突破，目前该项目已经成功应用于多个在研型号项目的综合性能演示验证中，缩短了研制周期，提升了总体方案的设计与展示效果，验证了系统总体性能。实践证明，本文构建的半实物仿真验证方法十分有效，可以推广。

［1］包为民.对航天器仿真技术发展趋势的思考［J］.航天控制，2013，31（2）:4-9．

［2］赵耀，黎阳，韩利军，等.飞行器控制系统全流程半实物仿真技术研究［J］.航天控制，2016，34（1）:78-80．

［3］高立娥.一种基于反射内存实时网络的半实物仿真系统［J］.计算机仿真，2004，22（3）:73-78．

［4］耿东平，王正平，郝磊.导弹制导控制系统半实物仿真系统的设计与实现［J］.飞行力学，2008，16（5）:75-77．

［5］岳超，董国才，喻戈，等.基于RTX的导弹半实物仿真系统设计［J］.弹箭与制导学报，2016，36（1）:19-22．

［6］覃杨森，范彦勤，刘语乔，等.试飞数据分析结果的可视化输出［J］.计算机测量与控制，2014，23（11）:23-25.

［7］赵宁宁，高立娥.实时仿真计算机在控制系统半实物仿真中的应用研究［J］.弹箭与制导学报，2005，25（4）:13-15.

［8］苏继杰，郑幸，孙烨，等.无人机模拟训练系统的半实物仿真设计［J］.火力与指挥控制，2009，34（10）:153-155.

［9］康凤举.现代仿真技术与应用［M］.北京：国防工业出版社，2001.

［10］贺若飞，李大健，刘宏娟，等.无人机自主控制应用需求及研究发展分析［J］.火力与指挥控制，2016，41（5）:1-5.

［11］罗贺，秦英祥，王国强，等.一种无人机侦察能力评估模型［J］.火力与指挥控制，2016，41（2）:7-12.