李杰奇 ，孔 福 ，李爭學 ，彭 健

（1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2.北京機電工程總體設(shè)計部，北京 100854）

0 引言

航天飛行器是一種十分昂貴的系統(tǒng)，在進入外場前對系統(tǒng)的各分系統(tǒng)都必須在陸地上做大量的試驗、仿真。地面仿真驗證最好的方式之一即采用半實物仿真系統(tǒng)構(gòu)成的環(huán)境來試驗，這樣最接近實際，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)省大量時間及財力。

本文構(gòu)建的半實物仿真系統(tǒng)旨在采用靈活的試驗手段，實現(xiàn)對飛行器關(guān)鍵技術(shù)驗證，總體方案深化論證，分系統(tǒng)及總體性能指標測試，飛行全過程展現(xiàn)方式的多重復現(xiàn)；實現(xiàn)飛行器總體性能和技術(shù)指標的快速考核和驗證，及早發(fā)現(xiàn)總體方案及相關(guān)專業(yè)設(shè)計的缺陷或不足，有效推進項目研制、提高研制效率、節(jié)約研制經(jīng)費。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)功能

總體性能仿真驗證系統(tǒng)具備以下功能：

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

2）綜合演示。半實物仿真系統(tǒng)可以對飛行器總體方案進行多屏融合虛擬視景演示、功能樣機實物運動演示以及全程飛行參數(shù)和性能指標綜合展示。

3）飛行軌跡的分析和驗證。半實物仿真系統(tǒng)能夠進行飛行器全程軌跡設(shè)計和仿真驗證，在標準工況和偏差條件下考核過程和終端約束條件的滿足情況，分析飛行穩(wěn)定性和機動能力。

4）導航/制導/控制系統(tǒng)的分析和驗證。半實物仿真系統(tǒng)可以對飛行器導航/制導控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備和軟件算法能進行分析和驗證，識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航制導精度和控制穩(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）試驗總控分系統(tǒng)

試驗總控分系統(tǒng)負責全系統(tǒng)的綜合調(diào)度和管理，可以對仿真設(shè)備和試驗對象進行初始檢測和配置，可以控制系統(tǒng)試驗的開始、暫停和終止，可以對試驗數(shù)據(jù)進行實時采集、記錄、顯示和分析。

2）實時仿真分系統(tǒng)

實時仿真分系統(tǒng)負責編輯和實時運行飛行動力學程序，驅(qū)動硬件接口設(shè)備以指定格式的通訊編碼和通訊周期實現(xiàn)仿真程序與外部仿真設(shè)備和試驗對象的數(shù)據(jù)交互，實時采集、記錄、顯示和分析系統(tǒng)運行的相關(guān)參數(shù)。

3）視景仿真分系統(tǒng)

視景仿真分系統(tǒng)負責實時顯示或非實時回放飛行器全任務(wù)過程的虛擬場景，既包括飛行器本體的位置、姿態(tài)變化以及執(zhí)行機構(gòu)的響應過程，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)動機尾焰、有效載荷分離、命中目標爆炸等事件特效，使試驗人員產(chǎn)生身臨其境的感覺。

4）飛行模擬轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)

飛行模擬轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)負責承載飛行器的慣性測量設(shè)備，接收并跟蹤實時仿真分系統(tǒng)發(fā)送的飛行器姿態(tài)運動指令，將其轉(zhuǎn)換為可被傳感器測量的物理環(huán)境，為慣性測量設(shè)備提供試驗條件。

5）運動演示平臺分系統(tǒng)

運動演示平臺分系統(tǒng)負責承載飛行器功能樣機分系統(tǒng)，接收并跟蹤實時仿真分系統(tǒng)發(fā)送的飛行器姿態(tài)運動指令，復現(xiàn)飛行器的姿態(tài)運動過程，為功能樣機提供集成測試的飛行環(huán)境。

6）飛行器功能樣機分系統(tǒng)

飛行器功能樣機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性，還可以結(jié)合飛行動力學程序、飛行控制程序和航電綜合單元在半實物仿真驗證系統(tǒng)的集成測試環(huán)境中對飛行器總體方案的性能和技術(shù)指標進行綜合分析和驗證。

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

為保障總體性能仿真驗證系統(tǒng)的試驗結(jié)果盡量逼近真實的飛行狀態(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證的時間相似性、運動相似性、程序相似性和邏輯相似性方案。

1）時間相似性方案

總體性能仿真驗證系統(tǒng)的實時仿真設(shè)備包括實時仿真計算機、飛行模擬轉(zhuǎn)臺測控設(shè)備和運動演示平臺測控設(shè)備。實時仿真計算機采用Windows+RTX的實時系統(tǒng)方案，飛行模擬轉(zhuǎn)臺和運動演示平臺作為物理效應設(shè)備，其測控設(shè)備也選擇Windows+RTX的實時解決方案，實時仿真設(shè)備之間的通訊網(wǎng)絡(luò)選擇具有強實時性的光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。

2）運動相似性方案

運動相似性原則要求總體性能仿真驗證系統(tǒng)中物理效應設(shè)備的運動范圍與真實狀態(tài)保持一致，同時具有較高的靜態(tài)定位精度和動態(tài)跟蹤特性，故而要求物理效應設(shè)備與仿真應用需求相匹配。

3）軟件相似性方案

軟件相似性原則要求試驗系統(tǒng)中的各模型盡可能逼真地描述真實飛行器的運動學和動力學特征，需考慮足夠的偏差和干擾影響因素，并經(jīng)過模型驗證。

4）邏輯相似性方案

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

2 分系統(tǒng)設(shè)計

2.1 試驗總控分系統(tǒng)

試驗總控分系統(tǒng)主要由試驗總控計算機、遠程控制終端、觸控展示設(shè)備、以太網(wǎng)絡(luò)交換機、光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)交換機、系統(tǒng)配套線纜、試驗總控軟件、觸控展示軟件組成。試驗總控計算機上運行試驗總控軟件，用于配置半實物仿真驗證系統(tǒng)的工作模式、控制系統(tǒng)工作進程、監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)。觸控展示設(shè)備上運行觸控展示軟件，支持試驗人員以觸摸方式對試驗總控軟件進行遠程快捷操作，并以綜合儀表的形式對試驗數(shù)據(jù)進行實時展示。遠程控制終端用于對試驗總控計算機進行遠程操作，使試驗人員遠離試驗設(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)交換機和光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)交換機為飛試系統(tǒng)中仿真設(shè)備的信息互聯(lián)互通提供硬件支撐。

2.2 實時仿真分系統(tǒng)

實時仿真分系統(tǒng)主要由實時仿真計算機、遠程控制終端、信號調(diào)理與適配箱、系統(tǒng)配套線纜、實時仿真控制軟件組成。實時仿真計算機上部署實時仿真控制軟件，用于編輯和運行實時仿真程序、與外部分系統(tǒng)進行信息交互、監(jiān)控實時仿真的運行狀態(tài)。信號調(diào)理與適配箱用于實時仿真計算機與外部分系統(tǒng)間電氣連接器的適配和接口信號的調(diào)理。

2.3 視景仿真分系統(tǒng)

視景仿真分系統(tǒng)主要由視景仿真計算機、遠程控制終端、投影機、視頻矩陣、投影屏幕、音響設(shè)備、系統(tǒng)配套線纜、視景仿真模型庫等組成。視景仿真計算機上部署視景仿真模型庫和視景仿真控制軟件，用于調(diào)度仿真模型、驅(qū)動仿真場景、逼真地再現(xiàn)仿真環(huán)境、實時響應試驗人員操作。

2.4 飛行模擬轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)

飛行模擬轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)主要由飛行模擬轉(zhuǎn)臺機械臺體、飛行模擬轉(zhuǎn)臺測控設(shè)備、遠程控制終端、系統(tǒng)配套線纜、飛行模擬轉(zhuǎn)臺控制軟件組成。機械臺體是最終的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)3個自由度的姿態(tài)運動。測控設(shè)備負責伺服驅(qū)動和狀態(tài)控制，包括驅(qū)動電源、測控計算機、操作切換電路和電機驅(qū)動器等器件。

2.5 運動演示平臺分系統(tǒng)

運動演示平臺分系統(tǒng)主要由運動演示平臺機械臺體、運動演示平臺測控設(shè)備、遠程控制終端、系統(tǒng)配套線纜、運動演示平臺控制軟件組成。機械臺體是最終的執(zhí)行機構(gòu)，包括三自由度機械軸系、底座、電機和測量元件。控制軟件部署在測控計算機上，利用人機交互界面實現(xiàn)平臺初始化配置、試驗進程控制和試驗狀態(tài)監(jiān)測。

2.6 飛行器功能樣機分系統(tǒng)

飛行器功能樣機分系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)單元、機構(gòu)單元、熱防護單元、有效載荷單元、RCS動力單元、航電綜合單元、飛行動力學程序、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內(nèi)部，按照與真實飛行器1∶1的尺寸關(guān)系，依據(jù)實際裝配流程進行總裝。飛行動力學程序部署在實時仿真分系統(tǒng)中，代表真實飛行器的動力學和運動學特性。飛行控制程序部署在飛行控制計算機中，實現(xiàn)全任務(wù)周期的飛行時序控制、控制指令輸出以及與試驗總控分系統(tǒng)的遙控遙測功能。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證

針對某飛行器研制過程開展了飛行性能驗證試驗，實現(xiàn)了飛行器從發(fā)射到落地的全飛行過程仿真。其中，飛行器結(jié)構(gòu)樣機、飛控機、控制執(zhí)行機構(gòu)、飛行器、慣組設(shè)備、電源、測控通訊等航電分系統(tǒng)的單機設(shè)備均使用真實實物設(shè)備。飛行動力學模型利用實時數(shù)值仿真模擬，慣組固定在三軸轉(zhuǎn)臺上輸出慣組信息，飛行器結(jié)構(gòu)樣機固定于運動平臺上模擬真實運動姿態(tài)，飛控機、控制執(zhí)行機構(gòu)、航電分系統(tǒng)單機均安裝于飛行器相應位置。測試包括飛行器的質(zhì)量慣量、氣動外形、動力特性、標準彈道等總體設(shè)計方案的合理性和制導姿控系統(tǒng)的有效性。

經(jīng)試驗驗證半實物仿真系統(tǒng)與數(shù)值仿真結(jié)果基本保持一致，證明半實物仿真系統(tǒng)可以比較準確地反應飛行器總體性能。另外試驗結(jié)果同時表明所驗證方案合理、制導姿控系統(tǒng)設(shè)計有效。

本半實物仿真系統(tǒng)融合了飛行器導航/制導/控制、供配電、測控通信、結(jié)構(gòu)機構(gòu)、控制反推動力

等多個分系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大尺寸、大負載對象的大范圍姿態(tài)運動模擬，提供了多專業(yè)開展飛行器總體性能和技術(shù)指標驗證的試驗手段，解決了仿真設(shè)備和試驗對象之間不同通訊方式的分布式處理和集中控制問題，降低了設(shè)備之間的耦合度，更為全面真實地反應了飛行器整體性能。

4 結(jié)論

本文通過構(gòu)建半實物仿真系統(tǒng)，形成了航天飛行器總體性能仿真與演示驗證環(huán)境，提供了從多個專業(yè)角度對飛行器總體性能和技術(shù)指標進行驗證的試驗手段。在總體參數(shù)驗證評估、試驗控制、實時仿真、數(shù)據(jù)展示、觸控交互等方面做出了技術(shù)突破，目前該項目已經(jīng)成功應用于多個在研型號項目的綜合性能演示驗證中，縮短了研制周期，提升了總體方案的設(shè)計與展示效果，驗證了系統(tǒng)總體性能。實踐證明，本文構(gòu)建的半實物仿真驗證方法十分有效，可以推廣。

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