鄒 瑩，田海濤，江彤陽，桑德彬

(北京航天自動控制研究所，北京 100854)

1 引言

當(dāng)運載火箭在典型動力故障的情況下，飛行軌跡會與無故障時的軌跡產(chǎn)生差異，嚴(yán)重的情況下會導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)的失敗，而當(dāng)運載火箭控制系統(tǒng)具備故障辨識和控制重構(gòu)能力時，控制系統(tǒng)會根據(jù)運載火箭飛行狀態(tài)進行實時軌跡的重新規(guī)劃，從而確保運載火箭發(fā)射任務(wù)的成功。由于故障辨識和控制重構(gòu)的方案非常復(fù)雜，在半實物仿真和飛行試驗過程中，有必要為研究人員在典型動力故障情況下的故障辨識與控制重構(gòu)方案提供一種直觀有效的分析手段。由于視景仿真技術(shù)在信息集成和展現(xiàn)方面的優(yōu)勢，因此將視景仿真技術(shù)與半實物仿真或飛行試驗相結(jié)合，通過實時飛行視景系統(tǒng)能為復(fù)雜技術(shù)方案提供更為直觀高效的分析手段。

通過視景仿真技術(shù)，研究人員更容易直觀分析較為抽象的技術(shù)方案實現(xiàn)過程，對于運載火箭關(guān)鍵技術(shù)研究和武器裝備研制階段的性能改善都起到重要的作用[1]。實時飛行視景系統(tǒng)設(shè)計過程需結(jié)合應(yīng)用背景和環(huán)境進行具體分析和設(shè)計。可以通過接收特征事件數(shù)據(jù)，觸發(fā)特殊視點，為視角切換提供了技術(shù)參考[2]。在視景仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換處理也應(yīng)關(guān)注其層次結(jié)構(gòu)[3]。在視景仿真系統(tǒng)設(shè)計中，可以通過參數(shù)化的建模研究，通過提取可視化要素，并對要素進行參數(shù)化設(shè)計，從而達(dá)到簡化系統(tǒng)設(shè)計難度的目的[4]。視景系統(tǒng)需要均衡融合后的數(shù)據(jù)信息，減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并得到最終顯示時有效準(zhǔn)確的信息[5]。目前，在航天三維場景仿真技術(shù)研究方面基于STK聯(lián)合GIS數(shù)據(jù)構(gòu)建的航天發(fā)射場三維視景仿真技術(shù)可展示飛行軌跡和時序動作，主要通過重放的方式對設(shè)計進行分析，無法解決實時飛行條件下軌跡差異的顯示[6-8]。

本文提出的實時飛行視景系統(tǒng)將重點解決半實物仿真和飛行試驗實時數(shù)據(jù)驅(qū)動下運載火箭飛行全過程可視化仿真、數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計、軌跡差異化顯示等關(guān)鍵技術(shù)問題。在有限數(shù)據(jù)下將運載火箭飛行過程中的復(fù)雜性信息高度融合和呈現(xiàn)，根據(jù)飛行試驗現(xiàn)場控制系統(tǒng)重構(gòu)方案的實施狀態(tài)，為飛行試驗提供判斷、決策、現(xiàn)場指揮的重要依據(jù)。

2 系統(tǒng)主要難點

實時飛行視景系統(tǒng)主要有以下設(shè)計難點：

實時飛行視景系統(tǒng)應(yīng)既能在半實物仿真環(huán)境下又能在飛行條件下運行。

首先，系統(tǒng)須具備全過程飛行場景的展示功能，根據(jù)任務(wù)需求進行三維可視化仿真，實現(xiàn)從飛行模式設(shè)置、起飛、飛行、故障注入、故障辨識、控制重構(gòu)、飛行結(jié)束的全過程的場景展示。

第二，系統(tǒng)須具備關(guān)鍵時序動作展示能力，能夠?qū)崿F(xiàn)三維場景的加載、更新，基礎(chǔ)空間環(huán)境的加載與顯示、運載火箭加載與顯示、關(guān)鍵動作顯示、飛行軌跡顯示、關(guān)機點時間、關(guān)機點速度、關(guān)機點位置等關(guān)鍵飛行數(shù)據(jù)的展示能力。

第三，系統(tǒng)須具備飛行參數(shù)的實時顯示能力，能夠通過二維可視化仿真通用顯示模塊，具備通過配置文件方式、網(wǎng)絡(luò)通訊方式實現(xiàn)二維曲線展示，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機故障狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)軌跡與規(guī)劃軌跡差異的展示等。

第四，系統(tǒng)須具備與仿真系統(tǒng)實時通訊及數(shù)據(jù)交互的能力，能夠適應(yīng)以太網(wǎng)、反射內(nèi)存實時網(wǎng)(VMIC)兩種類型的網(wǎng)絡(luò)通訊接口。同時系統(tǒng)具備離線數(shù)據(jù)回放功能，能夠讀取離線仿真數(shù)據(jù)文件，驅(qū)動場景運行。

第五，系統(tǒng)須具備運載火箭三維模型庫管理能力，具備展示全任務(wù)剖面需要的三維模型庫包括目標(biāo)場景模型、地球模型、大氣模型、特效模型等，通過各類型模型在不同階段的組合和疊加，能夠逼真模擬全過程飛行數(shù)據(jù)驅(qū)動下的視景仿真。

第六，系統(tǒng)須具備室內(nèi)外視景仿真演示的能力，能夠適應(yīng)不同演示場地需求。

第七，系統(tǒng)須具備較好的人機交互能力，能夠接受仿真調(diào)度指令，支持啟動、終止視景仿真的能力，同時具備仿真對象模型切換顯示、視角切換顯示、鏡頭遠(yuǎn)近調(diào)整的功能。

3 實時飛行視景系統(tǒng)的方案

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在半實物仿真時，由仿真計算機進行箭體模型、發(fā)動機模型等計算，并將慣組脈沖通過RS422串口發(fā)送給飛行控制器，飛行控制器通過一路RS422串口，將標(biāo)志字和飛行器狀態(tài)信息發(fā)送給能力評估與決策計算機，能力評估與決策計算機以預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)點狀態(tài)為終端條件，實時計算滿足初始、過程、終端約束條件的控制指令，并將控制指令和規(guī)劃標(biāo)志字發(fā)送給飛行控制器，用于判斷規(guī)劃結(jié)果是否可用以及生成相應(yīng)的推力幅值指令和程序角指令，飛行控制器通過硬件接口將發(fā)動機推力調(diào)節(jié)指令與舵指令發(fā)送給仿真計算機，由仿真計算機根據(jù)控制指令進行箭體運動方程計算，控制箭體運動生成慣組脈沖，由此構(gòu)成一個閉合的仿真回路。飛行控制器通過無線通訊模塊與地面站連接，主控計算機通過地面站無線通道完成飛行器測試、起飛控制和遙測數(shù)據(jù)接收。地面站計算機每200ms接收飛行控制器發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給視景系統(tǒng)計算機，視景系統(tǒng)最終通過兩屏分別進行三維場景和二維曲線的可視化展示，從而構(gòu)成閉合的半實物視景仿真系統(tǒng)。

在飛行試驗時，飛行控制器每200ms通過無線數(shù)據(jù)鏈將遙測數(shù)據(jù)發(fā)送地面遙測計算機，并通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送視景系統(tǒng)計算機，視景系統(tǒng)最終通過兩屏分別進行三維場景和二維曲線的可視化展示，從而構(gòu)成飛行視景仿真系統(tǒng)。

在半實物仿真狀態(tài)和飛行試驗兩種狀態(tài)下，實時飛行視景系統(tǒng)的工作方式及硬件系統(tǒng)連接一致。

圖1 視景系統(tǒng)工作原理

3.2 數(shù)據(jù)交互協(xié)議

為了能夠使實時飛行視景系統(tǒng)具備全過程飛行場景展示能力，能夠為研究人員分析控制系統(tǒng)重構(gòu)方案的正確性提供直觀的分析環(huán)境，能夠為飛行試驗現(xiàn)場指揮的提供重要實時依據(jù)，需要從大量試驗數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)中將關(guān)鍵信息進行選取，使控制系統(tǒng)故障辨識和控制重構(gòu)過程相對復(fù)雜性信息能夠通過三維場景和二維曲線進行直觀可視化展示。視景系統(tǒng)驅(qū)動數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 視景系統(tǒng)驅(qū)動數(shù)據(jù)格式

表2 視景系統(tǒng)故障信息注入數(shù)據(jù)格式

3.2.1 實時數(shù)據(jù)驅(qū)動

考慮到地面遙測計算機的信息處理能力，地面遙測計算機以200ms周期向視景軟件發(fā)送視景驅(qū)動數(shù)據(jù)。當(dāng)視景系統(tǒng)和地面站間通信采用以太網(wǎng)UDP協(xié)議時，字節(jié)序為小端模式，并禁止廣播模式。地面測發(fā)控軟件不進行數(shù)據(jù)重發(fā)，視景軟件也不發(fā)送回令，但視景軟件需校驗測發(fā)軟件數(shù)據(jù)的完整與有效性，若連續(xù)5幀數(shù)據(jù)均無效，視景系統(tǒng)提示通訊異常。

幀格式要求如表3所示。

表3 應(yīng)用層數(shù)據(jù)報協(xié)議格式定義

發(fā)送順序為從幀頭到幀尾，其中：

1) 幀類型——2 字節(jié)，當(dāng)前通訊規(guī)定周期數(shù)據(jù)類型為0x1222；

2) 數(shù)據(jù)區(qū)長度——2 字節(jié)，取值范圍0～1024，一般不超過512；

3) 幀計數(shù)——4 字節(jié)，取值范圍0～4294967295，幀計數(shù)從0 開始，除重發(fā)幀以外幀號加1，幀計數(shù)當(dāng)達(dá)到4294967295 時重新從0 開始計數(shù)，幀計數(shù)不容許出現(xiàn)逆序的情況，接收方接收到相同幀類型號且相同幀計數(shù)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)報認(rèn)為收到重發(fā)，將該應(yīng)用層數(shù)據(jù)報丟棄，每一種幀類型號維護一個單獨的幀計數(shù)；

4) 最大發(fā)送次數(shù)——1 字節(jié)，當(dāng)前通訊下規(guī)定取值為1；

5) 當(dāng)前發(fā)送次數(shù)——1 字節(jié)，當(dāng)前通訊下規(guī)定取值為1；

6) 確認(rèn)標(biāo)識/接收狀態(tài)——1 字節(jié)：當(dāng)前通訊下規(guī)定取值為0；

7) 數(shù)據(jù)區(qū)——0～1024 字節(jié)。建議是不超過512 字節(jié)；

8) 校驗碼——2 字節(jié)，為幀除校驗碼以外的所有字節(jié)的CRC16 校驗碼，生成多項式為x16+x12+x5+x0，低字節(jié)在前。

當(dāng)視景系統(tǒng)和地面站間通信采用反射內(nèi)存實時網(wǎng)絡(luò)(VMIC)連接時，由地面站發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)寫入反射內(nèi)存卡指定讀取地址，故障注入信息則由視景計算機寫入指定發(fā)送地址，數(shù)據(jù)格式與以太網(wǎng)連接時相同。

3.2.2 離線數(shù)據(jù)驅(qū)動

在離線數(shù)據(jù)驅(qū)動模式下，視景系統(tǒng)讀取指定路徑下的txt文件，通過腳本控制數(shù)據(jù)加載、讀取，并解析數(shù)據(jù)驅(qū)動場景運行。

離線數(shù)據(jù)驅(qū)動使研究人員可以對已經(jīng)完成的飛行試驗或半實物仿真試驗進行再次演示和分析。當(dāng)研究人員需要對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行多次分析時，可以采用離線數(shù)據(jù)驅(qū)動方式，并可以通過調(diào)節(jié)不同視角來輔助研究人員進行分析，通過離線數(shù)據(jù)驅(qū)動方式可以減少重復(fù)試驗，從而提升試驗效率。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理

由于地面站數(shù)據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)間隔為200ms，視景系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)刷新頻率約為50Hz左右，按照實際數(shù)據(jù)驅(qū)動會帶來飛行器場景內(nèi)跳動，影響視景展示效果，因此視景系統(tǒng)采用線性插值的方式，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)得到指定時間的位置、速度、姿態(tài)等數(shù)據(jù)，從而驅(qū)動視景運行。

3.3 軟件設(shè)計

3.3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計

視景系統(tǒng)按照系統(tǒng)功能可以劃分為數(shù)據(jù)通信模塊、場景模型、視景主控模塊、視景驅(qū)動模塊以及視景顯示模塊，軟件架構(gòu)如圖2所示：

1) 數(shù)據(jù)通信模塊

該模塊實現(xiàn)與飛行仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，具備兩種通信模式：以太網(wǎng)及反射內(nèi)存實時網(wǎng)(VMIC)，接收仿真數(shù)據(jù)，按照指定協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解析并提供給主控模塊，以驅(qū)動視景仿真顯示。

2) 三維模型

主要負(fù)責(zé)建立整個虛擬場景，其中包括期發(fā)射場及周邊模型、天空模型、氣象環(huán)境模型、星空環(huán)境模型。

3) 實時視景仿真驅(qū)動

建立視景仿真系統(tǒng)，必須要有視景仿真驅(qū)動模塊，該模塊主要負(fù)責(zé)太陽、地球位置更新，飛行器位置、姿態(tài)更新，載荷位置、形態(tài)更新，特效生成以及視點切換等。

4) 視景顯示輸出模塊

用3D的方式實時反映仿真輸出，演示兩種飛行系統(tǒng)對應(yīng)的飛行器全過程全階段的軌跡、姿態(tài)、任務(wù)執(zhí)行等動作，同時顯示故障注入、辨識、軌跡規(guī)劃等過程，以及相應(yīng)的特效，增強真實感。

5) 視景主控模塊

該模塊是整個視景仿真系統(tǒng)的控制核心和仿真引擎。負(fù)責(zé)加載模型和特效數(shù)據(jù)庫；根據(jù)仿真數(shù)據(jù)確定模型的狀態(tài)和特效觸發(fā)；根據(jù)外部人機交互信息調(diào)整視景參數(shù)。同時進行場景渲染和仿真任務(wù)管理。

6) 人機交互模塊

實現(xiàn)用戶與視景仿真程序的實時交互。在仿真過程中，通過鍵盤和鼠標(biāo)實時控制視點參數(shù)、跟蹤對象和圖形狀態(tài)，顯示統(tǒng)計信息等。

3.3.2 界面設(shè)計與實現(xiàn)

視景系統(tǒng)界面設(shè)計過程中遵循了可見性、可辨性、可知性的基本顯示原則，充分考慮使用場景和環(huán)境因素，在均衡的認(rèn)知負(fù)荷下結(jié)合項目需求和數(shù)據(jù)判讀分析習(xí)慣進行設(shè)計。在界面布局上著重依據(jù)頻度、重要性、歸類性原則，著重在信息結(jié)構(gòu)的可視化上進行整體規(guī)劃。將需要界面化的過程信息予以設(shè)計交互，提供良好的人機交互界面，方便用戶直接快速有效獲取所需信息。由于控制系統(tǒng)故障辨識過程短，并且控制重構(gòu)過程復(fù)雜，需要更加注重信息元素較多的情況下信息元素邏輯關(guān)系的關(guān)系緊密程度，注重了信息呈現(xiàn)的可讀性，可理解性。

視景系統(tǒng)根據(jù)飛行過程設(shè)置了不同的觀察視角，能夠?qū)⒐收献⑷?如圖3所示)、辨識以及重構(gòu)過程中的飛行軌跡變化能夠清晰的呈現(xiàn)，在整體設(shè)計上采用了分屏(左屏+右屏)方式對飛行器飛行過程進行全程數(shù)據(jù)可視化仿真。左屏采用3D方式進行著重進行飛行軌跡繪制(如圖4所示)，將運載火箭助推器分離、一二級分離等關(guān)鍵動作通過左屏小窗內(nèi)的運載火箭模型進行展示，界面中心顯示不同視角下運載火箭理論軌跡、規(guī)劃軌跡、實際飛行軌跡(如圖5、圖6所示)，對于不同軌跡進行文字標(biāo)識以及顏色標(biāo)記，運載火箭發(fā)動機信息和箭體實時數(shù)據(jù)通過右側(cè)動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)實時顯示，通過底部進度條式顯示給出當(dāng)前關(guān)鍵時序名稱及時間點(如圖7所示)。右屏采用二維曲線繪制的方式對飛行過程運載火箭位置、姿態(tài)、速度、推力等數(shù)據(jù)進行可視化展示(如圖8所示)。

圖3 故障注入界面

圖4 左屏顯示

圖5 故障辨識及軌跡規(guī)劃過程中的軌道顯示

圖6 軌跡規(guī)劃后的軌跡差異顯示

圖7 左屏關(guān)鍵時序顯示

圖8 右屏二維曲線顯示

視景系統(tǒng)中觀察點的選擇是根據(jù)故障辨識及控制重構(gòu)過程信息呈現(xiàn)的不同關(guān)注側(cè)重進行了自動切換，有助于研究人員分析整個控制過程的實際效果和對控制方案進行改進。

4 結(jié)論

本文設(shè)計和實現(xiàn)了一種實時飛行視景仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備在半實物仿真或飛行試驗兩種條件下的實時視景仿真功能。實時飛行視景仿真系統(tǒng)采用Unity3d進行地球太空場景實現(xiàn)，采用3DsMax進行運載火箭模型開發(fā)。將遙測數(shù)據(jù)與基于三維Unity3d引擎相結(jié)合，使用遙測數(shù)據(jù)加以驅(qū)動。系統(tǒng)支持反射內(nèi)存卡、UDP數(shù)據(jù)通信、離線數(shù)據(jù)三種數(shù)據(jù)通信方式。解決了運載火箭動力系統(tǒng)故障條件下故障注入、故障辨識、控制重構(gòu)的整個控制過程的展示。相較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和二維曲線以及圖表展示，實時飛行視景系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r分析飛行器的飛行狀態(tài)、控制方案的效果，還可直觀對控制效果進行分析評估，通過離線數(shù)據(jù)再現(xiàn)飛行及控制過程是傳統(tǒng)判讀及數(shù)據(jù)分析方法不具備的優(yōu)勢。實時飛行視景系統(tǒng)具備高信息集成度，可極大提升分析和評估的效率，為飛行器性能提升、故障分析和技術(shù)改進提供了全新的技術(shù)手段。