CN103454927A - 飞行器分布式网络化全物理地面仿真装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种飞行器分布式网络化全物理地面仿真装置，包括动力学驱动子系统、运动学模拟子系统、远程控制计算机子系统和飞行器测量载荷子系统组成，飞行器测量载荷子系统安装在运动学模拟子系统上，而动力学驱动子系统、运动学模拟子系统以及远程控制计算机子系统为分布式，所述的动力学驱动子系统包括三轴气浮台、姿态测量装置、运动执行机构和质量特性调整机构。本发明飞行器分布式网络化全物理地面仿真方法，可以充分利用各种分布在不同地点的仿真设备组成一个整体的系统，根据实际需求进行组合，系统设计原理简单、容易实现、费用低，可以实现飞行器敏感器、控制算法的闭环试验，并且三轴气浮台提供的动力学数据是真实的控制结果。

Description

飞行器分布式网络化全物理地面仿真装置及方法
技术领域
本发明涉及测量技术，具体说就是一种飞行器分布式网络化全物理地面仿真装置及方法。
背景技术
空间飞行器一旦发射将难以维修，其特殊的运行环境使其地面仿真试验显得尤为重要，目前对于空间飞行器地面仿真主要分为三类：(1)数学/计算机软件仿真；(2)半物理仿真；(3)全物理仿真。其中最有效、最有说服力的是全物理仿真试验。其核心设备室三轴气浮台，依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜，使模拟台体浮起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件，以模拟卫星等空间飞行器在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境。实践证明，基于气浮台的全物理仿真试验能够显著提高飞行器的效费比，降低风险，缩短研发周期，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。
经文献检索，李季苏、牟小刚等在论文“大型卫星三轴气浮台全物理仿真系统”(见《控制工程》，2001年，第3期，页码22-26)中介绍了一种大型卫星三轴气浮台全物理仿真系统的组成、技术指标和用途等，该系统属于本地控制范畴，没有基于分布式网络化仿真的思想构建。
厉明，纪勇，贾宏光，续志军等在论文“基于快速仿真原型的飞行器半物理仿真系统”(见《光学精密工程》，2008年，第16卷第10期，页码1949-1955)中设计了基于快速仿真原型技术的大闭环半物理飞行实时仿真系统，通过光纤反射内存网络实现高速互联，但该系统仍然属于本地仿真范畴，并且属于半物理仿真，不适用于分布式网络化全物理仿真的设计。
中国发明专利(申请号200710064795.2)名称“单轴全物理仿真磁浮台”中公开了一种单轴全物理仿真磁浮台，主要用于对航天器等运动体的控制系统进行全物理仿真，但该专利只给出了该磁浮台的设计，不涉及该转台在具体仿真任务中的使用。
中国发明专利(申请号201010544722.5)名称“卫星动力学与控制分布式仿真平台”中构建一种卫星动力学与控制分布式数字仿真平台，实现不同任务卫星控制系统的“柔性”设计，但该专利不适用于全物理仿真，不能用于分布式全物理仿真平台的构建。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原理简单、操作方便、容易工程实现的、分布式网络化的飞行器全物理地面仿真装置及方法。
本发明的目的是这样实现的：一种飞行器分布式网络化全物理地面仿真装置，包括动力学驱动子系统、运动学模拟子系统、远程控制计算机子系统和飞行器测量载荷子系统组成，飞行器测量载荷子系统安装在运动学模拟子系统上，而动力学驱动子系统、运动学模拟子系统以及远程控制计算机子系统为分布式，所述的动力学驱动子系统包括三轴气浮台、姿态测量装置、运动执行机构和质量特性调整机构。
本发明还有这样一些技术特征：一种飞行器分布式网络化全物理地面仿真方法，所述的运动学模拟子系统由三轴电动转台组成，飞行器测量载荷子系统安装在三轴电动转台上，三轴电动转台通过网络接收动力学驱动子系统的姿态信息并控制三轴转台实现该姿态的高精度复现，所使用的飞行器测量载荷子系统将测量到的姿态信息通过网络传输给远程控制计算机。
所述的远程控制计算机子系统通过网络接收飞行器测量载荷子系统的测量数据，根据控制算法计算控制量并将指令发送给动力学驱动子系统，动力学驱动子系统按照指令给气浮台施加控制力矩，实现三轴气浮台的姿态控制。
本发明飞行器分布式网络化全物理地面仿真装置及方法，可以充分利用各种分布在不同地点的仿真设备组成一个整体的系统，根据实际需求进行组合，系统设计原理简单、容易实现、费用低，可以实现飞行器敏感器、控制算法的闭环试验，并且三轴气浮台提供的动力学数据是真实的控制结果，这是区别与目前其他仿真系统的关键所在。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述：
实施例1
结合图1，一种飞行器分布式网络化全物理地面仿真装置，它是由动力学驱动子系统1、运动学模拟子系统2、远程控制计算机子系统3、飞行器测量载荷子系统4组成，飞行器测量载荷子系统4安装在运动学模拟子系统2上，而动力学驱动子系统1、运动学模拟子系统2以及远程控制计算机子系统3是分布式的，也就是说，它们可能是分布在不同区域进行工作的，并且互相之间通过网络进行连接实现指令及数据的传输。
所述的飞行器测量载荷子系统4可以根据测试仿真的实际需求安装陀螺、惯组或者微波雷达等飞行器实际使用的测量载荷或者使用其模拟设备。
所述的一种飞行器分布式网络化全物理地面仿真装置，还具有以下特征：
1、所述的动力学驱动子系统1、运动学模拟子系统2以及远程控制计算机子系统3是分布式的，仿真时不要求设备在同一地点，可以实现远程试验，避免了系统的重复建设，可以大大提高设备资源的利用率，减少建设周期，节约建设经费。
2、所述的仿真装置具有半物理仿真的优点，同时由于其动力学数据是由三轴气浮台实际运行生成完成驱动，因此同样具有全物理仿真的优点。
3、此外，本发明公开的一种飞行器分布式网络化全物理地面仿真装置，其特点如下：
试验前，将待测飞行器测量载荷安装在运动学模拟子系统2高精度三轴转台上，将待验证的控制算法注入远程控制计算机4，动力学驱动子系统1的执行器配置按照实际试验指标配置。
试验时，动力学驱动子系统1通过网络将气浮台的姿态信息发送给运动学模拟子系统2，运动学模拟子系统2通过网络接收动力学驱动子系统1的姿态信息并控制三轴转台实现该姿态的高精度复现，所使用的飞行器测量载荷子系统4将测量到的姿态信息通过网络传输给远程控制计算机，远程控制计算机根据事先注入的算法计算控制量并将控制指令发送给动力学驱动子系统1完成系统的闭环。
实施例2
结合图1，所述的动力学驱动子系统1主要是由三轴气浮台5，以及姿态测量装置6、运动执行机构7、质量特性调整机构8等组成，可以实现气浮台姿态的测量、气浮台姿态控制、质量特性的调整，通过网络将气浮台的姿态信息发送给运动学模拟子系统2。其中姿态测量装置可以使用中国发明专利“三轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置”(申请号：201110249979.2)或者“三轴气浮台高精度姿态角度及角速度测量装置”(申请号：201310134631.8)所使用的方法。气浮台的运动执行机构可以采用反作用飞轮、冷气推力系统等装置，质量特性调整装置可以采用配重块或者中国发明专利“三轴气浮台平衡方法”(专利号：ZL200910071536.1)所使用的方法实现。
实施例3
结合图1，所述的运动学模拟子系统2主要由三轴电动转台组成，在转台上安装飞行器测量载荷子系统4，三轴电动转台通过网络接收动力学驱动子系统1的姿态信息并控制三轴转台实现该姿态的高精度复现，所使用的飞行器测量载荷子系统4将测量到的姿态信息通过网络传输给远程控制计算机。
实施例4
结合图1，所述的远程控制计算机子系统3通过网络接收飞行器测量载荷子系统4的测量数据，根据控制算法计算控制量并将指令发送给动力学驱动子系统1，动力学驱动子系统1按照指令给气浮台施加控制力矩，实现三轴气浮台的姿态控制。所述的远程控制计算机子系统3可以采用工业控制机也可以采用飞行器实际使用的机/星载计算机。
实施例5
结合图1，所述的飞行器测量载荷子系统4可以根据测试仿真的实际需求安装陀螺、惯组或者微波雷达等飞行器实际使用的测量载荷或者使用其模拟设备。
实施例6
所述的网络可以采用普通以太网或者基于光纤构建的高速网络。

Claims (3)

1.一种飞行器分布式网络化全物理地面仿真装置，包括动力学驱动子系统(1)、运动学模拟子系统(2)、远程控制计算机子系统(3)和飞行器测量载荷子系统(4)组成，其特征在于：飞行器测量载荷子系统(4)安装在运动学模拟子系统(2)上，而动力学驱动子系统(1)、运动学模拟子系统(2)以及远程控制计算机子系统(3)为分布式，所述的动力学驱动子系统(1)包括三轴气浮台(5)、姿态测量装置(6)、运动执行机构(7)和质量特性调整机构(8)。
2.一种飞行器分布式网络化全物理地面仿真方法，其特征在于：所述的运动学模拟子系统(2)由三轴电动转台组成，飞行器测量载荷子系统(4)安装在三轴电动转台上，三轴电动转台通过网络接收动力学驱动子系统(1)的姿态信息并控制三轴转台实现该姿态的高精度复现，所使用的飞行器测量载荷子系统(4)将测量到的姿态信息通过网络传输给远程控制计算机。
3.如权利要求2所述的一种飞行器分布式网络化全物理地面仿真方法，其特征在于：所述的远程控制计算机子系统(3)通过网络接收飞行器测量载荷子系统(4)的测量数据，根据控制算法计算控制量并将指令发送给动力学驱动子系统(1)，动力学驱动子系统(1)按照指令给气浮台施加控制力矩，实现三轴气浮台的姿态控制。
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