李杰奇 ，孔 福 ，李爭學 ，彭 健

（1.中國運載火箭技術研究院，北京 100076；2.北京機電工程總體設計部，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)對飛行器關鍵技術驗證，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指標的快速考核和驗證，及早發(fā)現(xiàn)總體方案及相關專業(yè)設計的缺陷或不足，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)的綜合調度和管理，可以對仿真設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，驅動硬件接口設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，使試驗人員產生身臨其境的感覺。

4）飛行模擬轉臺分系統(tǒng)

飛行模擬轉臺分系統(tǒng)負責承載飛行器的慣性測量設備，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，將其轉換為可被傳感器測量的物理環(huán)境，為慣性測量設備提供試驗條件。

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構形式、空間布局、裝配流程和操作可達性，還可以結合飛行動力學程序、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指標進行綜合分析和驗證。

各系統(tǒng)之間的關系如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)相似性方案設計

為保障總體性能仿真驗證系統(tǒng)的試驗結果盡量逼近真實的飛行狀態(tài)，所有仿真設備和仿真軟件的研制需以相似性原則為基礎，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)的實時仿真設備包括實時仿真計算機、飛行模擬轉臺測控設備和運動演示平臺測控設備。實時仿真計算機采用Windows+RTX的實時系統(tǒng)方案，飛行模擬轉臺和運動演示平臺作為物理效應設備，其測控設備也選擇Windows+RTX的實時解決方案，實時仿真設備之間的通訊網(wǎng)絡選擇具有強實時性的光纖反射內存網(wǎng)絡。

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)中參試設備的工作時序、工作周期和通訊內容與真實飛行情況保持一致，相關仿真設備功能和技術指標要與之匹配。

2 分系統(tǒng)設計

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、觸控展示設備、以太網(wǎng)絡交換機、光纖反射內存網(wǎng)絡交換機、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)絡交換機和光纖反射內存網(wǎng)絡交換機為飛試系統(tǒng)中仿真設備的信息互聯(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，用于調度仿真模型、驅動仿真場景、逼真地再現(xiàn)仿真環(huán)境、實時響應試驗人員操作。

2.4 飛行模擬轉臺分系統(tǒng)

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

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，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)主要由結構單元、機構單元、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。硬件設備中除地面電源以外的部分都集成在飛行器功能樣機內部，按照與真實飛行器1∶1的尺寸關系，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，飛行器結構樣機、飛控機、控制執(zhí)行機構、飛行器、慣組設備、電源、測控通訊等航電分系統(tǒng)的單機設備均使用真實實物設備。飛行動力學模型利用實時數(shù)值仿真模擬，慣組固定在三軸轉臺上輸出慣組信息，飛行器結構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、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量慣量、氣動外形、動力特性、標準彈道等總體設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。另外試驗結果同時表明所驗證方案合理、制導姿控系統(tǒng)設計有效。

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、結構機構、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指標驗證的試驗手段，解決了仿真設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 結論

本文通過構建半實物仿真系統(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計與展示效果，驗證了系統(tǒng)總體性能。實踐證明，本文構建的半實物仿真驗證方法十分有效，可以推廣。

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