CN104077490A - 飞行器导航制导与控制地面仿真系统效能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行器导航制导与控制地面仿真系统效能评估方法，先根据系统功能原理选择相似元，然后确定各相似元的数值和权系数，最后计算仿真系统的相似度。本方法将效能评估问题转化为可行度问题，从动力学、运动学、测量以及导航制导与控制等方面定量分析“天地一致性”问题，基于可信度理论，客观量化分析地面仿真系统的可信度。本发明提供的评估方法原理清晰、计算简单，具有比较广泛的适用范围，可以为其他仿真系统的效能分析提供参考借鉴。

Description

飞行器导航制导与控制地面仿真系统效能评估方法

技术领域

本发明涉及测量技术，具体说就是一种飞行器导航制导与控制地面仿真系统效能评估方法。

背景技术

飞行器特殊的运行环境使其地面仿真测试在其研制过程中的作用显得格外重要，而地面仿真测试的一个关键问题是，如何确定地面仿真试验效能，也就是地面测试结果在多大程度上说明飞行器在实际运动中的情况，也称为“天地一致性”验证问题。

效能分析的另一种提法是仿真系统的可信度、相似度，也就是仿真系统作为原型系统的仿真替代系统在特定的建模和仿真的目的及意义下，其总体结构和行为水平能够复现原型系统的可信性程度。对仿真系统可信度进行评估的一个最基本方法是研究在相同的输入信号下仿真系统的输出与实际系统的输出是否一致及其一致性的程度。依据相似性理论，就是研究仿真系统的输出与实际系统输出之间的相似度。系统的相似度是描述系统间相似性程度的度量，各相似单元相似性集合共同组成了系统的总体相似程度。因此，仿真系统的效能评估问题就是研究仿真系统和相应实际系统的相似度问题。

目前关于飞行器导航制导与控制地面仿真系统相似度评估方法的相关资料比较少。经检索文献发现，中国发明专利申请号：201110341918.9，专利名称为：一种基于仿真的参数化武器作战效能分析系统及其分析方法，该专利发明了一种基于仿真的参数化武器作战效能分析系统，通过数值仿真分析不同情况下的武器的作战效能，来评估武器的性能，但是这种方法的相似准则只适用于武器系统，不适合于空间飞行器地面仿真系统。

中国发明专利申请号：201110256117.2，专利名称为一种仿真系统可信性评估方法及系统，该专利通过比对真实案例与仿真案例，对每一个真实案例的可信度进行加权，综合得到仿真系统的可信度。但是，这种评估方法在可信度权系数计算过程中，依赖于专家经验，不论是采取打分或是其他量化手段，本质上都属于定性评估，缺乏有效的量化分析支持。此外，该方法难以充分利用权威模型和有效数据，影响了评估结论的客观性和说服力。

在“空间机器人气浮式物理仿真系统有效性研究”(空间控制技术与应用，第36卷，第6期，第33-38页)论文中，北京控制工程研究所的郑永洁、张笃周等学者讨论了空间机器人气浮式仿真系统的有效性，但不能普遍应用于其他飞行器地面仿真系统的效能评估。

西北工业大学的贾杰学者在他的博士论文“航天器姿态半物理仿真原理及其试验方法研究”(西安：西北工业大学博士论文，37-61页)中提出了一种航天器半物理仿真系统的有效性分析方法，但是这种方法的评估参数较多，在实际应用中有些参数难以确定，并且这种方法只针对的是半物理仿真系统，而不适用于全物理仿真系统。

上述几种方法中，有的只适用于武器系统效能评估，有的仅仅分析了仿真系统中的部分干扰。经过文献检索，发现目前还没有一种能够系统的分析飞行器导航制导与控制地面仿真系统效能评估的方法。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的在于提供一种飞行器导航制导与控制地面仿真系统效能评估方法，根据仿真系统可信度理论，研究动力学系统、运动学系统、测量系统和控制系统四个子系统的可信度，综合计算得到飞行器导航制导与控制地面仿真系统的整体可信度，对飞行器导航制导与控制地面仿真系统的效能进行评估。

本发明是这样实现的：首先根据系统功能原理选择相似元，然后确定各相似元的数值和权系数，最后计算仿真系统的相似度。具体步骤如下：

第1步：选择相似元

飞行器导航制导与控制地面仿真系统由运动模拟系统、测量系统、动力学仿真系统和GNC控制系统四部分构成，因此，评价地面仿真系统与实际空间飞行器运行状况的相似度，通过这四个分系统与空间飞行器实际工作情况的相似程度来确定，所以选择这四个分系统与实际情况的相似程度作为相似元；

第2步：确定相似元的值

(2.1)、运动模拟系统

运动模拟系统能够完成X、Y、Z三个平动方向的运动和俯仰、偏航、滚转三个转动方向的运动，运动模拟系统与空间飞行器实际工作情况的相似程度通过运动模拟器的运行精度参数确定；

仿真缩比值为K，运动模拟器的位置精度为J1、速度精度J2、动态精度J3，实际卫星运动过程也会产生偏差，如果实际卫星运动系统偏差大于地面仿真系统运动模拟器的偏差值，则认为运动模拟器能够完全模拟实际卫星运动，即相似元为1，在不知道实际卫星运动偏差值的情况下，设实际卫星运动完全按理论值运动，则运动模拟器相对实际卫星最大偏差取为J1、J2和J3中的最大值，相似元的值为Q₁＝1-max{J1、J2、J3}，其中max{...}表示取最大值；

(2.2)、测量系统

对于测量系统，设Wc和Fc分别表示实际飞行器测量系统的误差和仿真系统的测量误差，并且仿真缩比为K，如果满足K×Fc≤Wc，认为地面测量系统能够完全模拟卫星测量系统，则相似元定为1；否则按照公式计算相似元的值；

(2.3)动力学仿真系统

仿真时，动力学仿真系统对空间扰动力矩进行数学建模并进行Mat1ab/Simul ink仿真，在RTW下自动生成C代码，并经过修改后生成供LabVIEW直接调用的动态链接库，在LabVIEW RT实时系统中运行，对于这部分相似元值计算，通过与STK仿真系统仿真得到的数据进行比较得到结果，计算方法为：其中X_D表示动力学计算出来的卫星的位置和速度，X_STK表示STK计算出来的卫星的位置和速度；

(2.3)GNC控制模块

仿真时GNC控制模块采用的制导控制率与航天器实际采用的控制率相同，故相似元值直接取为Q₄＝1；

第3步：确定权系数

根据系统差别对仿真结果的影响程度分析，这四个系统相似性的重要程度依次为测量系统、运动系统、动力学运动学系统、GNC控制系统，所以它们的权重影响程度成单调减关系，根据层次分析法得判断矩阵P：

$P=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 3& 6\\ 1/2& 1& 2& 3\\ 1/3& 1/2& 1& 2\\ 1/6& 1/3& 1/2& 1\end{array}\right]---(3-1)$

求出最大特征值λ_max＝4.0104；一致性指标CI＝0.0035，平均随机一致性指数RI₍₄₎＝0.90，于是一致性指标CR＝CI/RI₍₄₎＝0.0039＜0.1；故认为判断矩阵一致性是能够接受的；

将判断矩阵P按列归一化得：

$\stackrel{\‾}{P}=\left[\begin{array}{cccc}0.5000& 0.5217& 0.4615& 0.5000\\ 0.2500& 0.2609& 0.3077& 0.2500\\ 0.1667& 0.1304& 0.1538& 0.1667\\ 0.0833& 0.0870& 0.0769& 0.0833\end{array}\right]---(3-2)$

将列元素归一化后的矩阵按行相加并将列向量归一化处理，得：

β＝[β₁ β₂ β₃ β₄]^T＝[0.4959 0.2671 0.1544 0.0826]^T     (3-3)

其中β₁，β₂，β₃，β₄即为各个相似元的权重系数；

第4步：计算仿真系统的相似度

由于系统间对应的元素看成相似元，则相似度为：

这样就得到了仿真系统的相似度Q。

本发明提供一种飞行器导航制导与控制地面仿真系统效能评估方法，将效能评估问题转化为可行度问题，从动力学、运动学、测量以及导航制导与控制等方面定量分析“天地一致性”问题，基于可信度理论，客观量化分析地面仿真系统的可信度。本发明提供的评估方法原理清晰、计算简单，具有比较广泛的适用范围，可以为其他仿真系统的效能分析提供参考借鉴。

附图说明

图1为某十二自由度空间飞行器的地面闭环仿真系统结构框图；

图2为STK仿真卫星轨道图；

图3为动力学仿真系统仿真卫星轨道图；

图4为STK仿真卫星位置变化图；

图5为动力学仿真系统卫星位置变化图；

图6为STK仿真卫星速度变化图；

图7为动力学仿真系统卫星速度变化图。

具体实施方式

下面结合某实际仿真系统进行系统效能分析的说明。

第一步：选择相似元

十二自由度空间飞行器的地面闭环仿真系统通常由运动系统、测量系统、动力学仿真系统和GNC控制系统四部分构成，如图1所示。评价地面仿真系统与实际空间飞行器运行状况相似程度，可以通过这四个分系统与空间飞行器实际工作情况的相似程度来确定，所以我们选择这四个系统与实际情况的相似程度作为相似元。

第2步：确定相似元的值

2.1运动系统

运动系统又称运动模拟器，可完成X、Y、Z三个平动方向的运动和俯仰、偏航、滚转三个转动方向的运动。运动系统与与空间飞行器实际工作情况的相似程度可以通过运动模拟器的运行精度等参数确定。假定仿真缩比值为K，运动模拟器的位置精度为J1、速度精度J2、动态精度J3，实际卫星运动过程也会产生偏差，如果实际卫星运动系统偏差大于地面仿真系统运动模拟器的偏差值，则可以认为运动模拟器可以完全模拟实际卫星运动，即相似元为1。在不知道实际卫星运动偏差值的情况下，现假设实际卫星运动完全按理论值运动，则运动模拟器相对实际卫星最大偏差取为J1、J2、J3中的最大值，相似元的值为Q₁＝1-max{J1、J2、J3}，其中max{...}表示取最大值。

以某实际仿真系统为例，其运动模拟器各项参数如表1所示。

表1某仿真系统运动模拟器参数

表中，动态响应是在输入正弦信号频率0.2Hz，幅度100mm条件下定义的。

测量系统采用激光跟踪仪方案，测角精度0.01°，测位置精度为50μm。

对于运动系统和测量系统的相似元可以通过仿真任务确定，下面对飞行器编队飞行任务为例确定相似元的值。

为叙述方便，定义x_s、y_s、z_s分别表示实际卫星的运动参数，x_f、y_f、z_f分别表示运动模拟器的运动参数。定义K_max为运动模拟器最大行程下的缩比，则有

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{\max x}=\frac{x_s}{x_f}\\ K_{\max y}=\frac{y_s}{y_f}\\ K_{\max z}=\frac{z_s}{z_f}\end{array}\right.---(2-1)$

K_min＝max(K_maxx，K_maxy，K_maxz)             (2-2)

由数学仿真结果，编队卫星相对运动的X、Y、Z三个方向上的运动范围分别为：X：-300m～-100m，Y：-50m～50m，Z：-86m～94m。根据表1，假定某运动模拟器平动的运动范围X、Y、Z为：12m×2m×3m。X、Y、Z的运动行程分别为：200m、100m、180m。则由上述数据，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{\max x}=\frac{x_s}{x_f}=\frac{200m}{12m}=16.67\\ K_{\max y}=\frac{y_s}{y_f}=\frac{100m}{2m}=50\\ K_{\max z}=\frac{z_s}{z_f}=\frac{180m}{3m}=60\end{array}\right.---(2-3)$

由上式，确定缩比K_min＝max(K_maxx，K_maxy，K_maxz)＝60。

表2给出了在此缩比条件下，运动模拟器的精度所代表的实际卫星的运行精度偏差。

表2缩比为60的条件下运动模拟器表示的实际卫星运行参数

此表中，动态响应是在输入正弦信号频率0.2Hz，幅度6m条件下定义的。

运动模拟器与目标值偏差可总结为下表：

表3运动模拟器与目标值偏差

上表均是在比较极端的情况与目标的相对偏差，最大值为5％。

实际卫星运动过程也会产生偏差，如果实际卫星运动系统偏差大于地面仿真系统运动模拟器的偏差值，则可以认为目标模拟器可以完全模拟实际卫星，即相似元为1。在不知道实际卫星运动偏差值的情况下，现假设实际卫星运动完全按理论值运动，则运动模拟器相对实际卫星最大偏差为5％，相似元为Q₁＝0.95。

2.2测量系统

对于测量系统，设Wc和Fc分别表示实际飞行器测量系统的误差和仿真系统的测量误差，并且仿真缩比为K，如果满足K×Fc≤Wc，可认为地面测量系统可完全模拟卫星测量系统，则相似元定为1；否则按照公式计算相似元的值。

例如，上面讨论的仿真系统中的测量子系统使用了精度较高的激光跟踪仪，可以满足上式，故测量系统的相似元为Q₂＝1。

2.3动力学仿真系统

动力学仿真系统对空间扰动力矩进行数学建模并进行Matlab/Simulink仿真，在RTW下自动生成C代码，并经过修改后生成可供LabVIEW直接调用的动态链接库，在LabVIEW RT实时系统中运行。对于这部分相似元值计算，可以通过与STK仿真系统仿真得到的数据进行比较得到结果。计算方法为：其中X_D表示动力学计算出来的卫星的位置和速度，X_STK表示STK计算出来的卫星的位置和速度。

现以双脉冲变轨为例，分别采用动力学仿真系统(MATLAB仿真)和STK仿真系统进行仿真，并对仿真结果进行对比。

仿真初始轨道参数如表4所示：

表4仿真初始轨道参数

设改卫星首先在轨道运行1000s，然后加入速度脉冲Δv₁，然后运行1600s，再加入速度脉冲Δv₂，再运行2000s，通过终止位置和速度误差判定动力学仿真系统的相似度。两速度脉冲值如表5所示：

表5两速度脉冲值

两种方法仿真得到的卫星轨道转移轨迹如图2-3所示，两种方法得到的位置、速度变化曲线分别如图4-5和图6-7所示：

由图2-7可以看出采用动力学仿真系统仿真和STK仿真得到的卫星轨迹几乎完全相同，下面对终止位置和速度进行定量计算。采用动力学仿真系统和STK仿真得到的卫星终止时刻位置和速度，以及二者的相对偏差值如表6所示：

表6卫星终止时刻位置和速度值

由表6可见由动力学仿真系统仿真和STK仿真得到的卫星终止时刻位置和速度值最大分量偏差为0.49％，不到1%，为保险起见取相似元值为Q₃＝0.99。

2.4GNC模块

仿真时GNC控制模块采用的制导控制率与航天器实际采用的控制率相同，故相似元值直接取为Q₄＝1。

第3步：确定权系数

根据系统差别对仿真结果的影响程度分析，这4个系统相似性的重要程度依次为测量系统、运动系统、动力学运动学系统、GNC控制系统。所以它们的权重影响程度成单调减关系，根据层次分析法可得判断矩阵P：

$P=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 3& 6\\ 1/2& 1& 2& 3\\ 1/3& 1/2& 1& 2\\ 1/6& 1/3& 1/2& 1\end{array}\right]---(3-1)$

求出最大特征值λ_max＝4.0104；一致性指标CI＝0.0035，平均随机一致性指数RI₍₄₎＝0.90，于是一致性指标CR＝CI/RI₍₄₎＝0.0039＜0.1；故认为判断矩阵一致性是可以接受的。

将判断矩阵P按列归一化得：

$\stackrel{\‾}{P}=\left[\begin{array}{cccc}0.5000& 0.5217& 0.4615& 0.5000\\ 0.2500& 0.2609& 0.3077& 0.2500\\ 0.1667& 0.1304& 0.1538& 0.1667\\ 0.0833& 0.0870& 0.0769& 0.0833\end{array}\right]---(3-2)$

将列元素归一化后的矩阵按行相加并将列向量归一化处理，可得：

β＝[β₁ β₂ β₃ β₄]^T＝[0.4959 0.2671 0.1544 0.0826]^T        (3-3)

其中β₁，β₂，β₃，β₄即为各个相似元的权重系数。

第4步：计算仿真系统的相似度

由于系统间对应的元素都可看成相似元，则相似度为：

$Q=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i{Q}_i=98.58\%$

则该仿真系统仿真模型的可信度Q为：98.58％。

Claims (1)

1.一种飞行器导航制导与控制地面仿真系统效能评估方法，先根据系统功能原理选择相似元，然后确定各相似元的数值和权系数，最后计算仿真系统的相似度，其特征在于，具体步骤如下：

第1步：选择相似元

飞行器导航制导与控制地面仿真系统由运动模拟系统、测量系统、动力学仿真系统和GNC控制系统四部分构成，因此，评价地面仿真系统与实际空间飞行器运行状况的相似度，通过这四个分系统与空间飞行器实际工作情况的相似程度来确定，所以选择这四个分系统与实际情况的相似程度作为相似元；

第2步：确定相似元的值

(2.1)、运动模拟系统

运动模拟系统能够完成X、Y、Z三个平动方向的运动和俯仰、偏航、滚转三个转动方向的运动，运动模拟系统与空间飞行器实际工作情况的相似程度通过运动模拟器的运行精度参数确定；

仿真缩比值为K，运动模拟器的位置精度为J1、速度精度J2、动态精度J3，实际卫星运动过程也会产生偏差，如果实际卫星运动系统偏差大于地面仿真系统运动模拟器的偏差值，则认为运动模拟器能够完全模拟实际卫星运动，即相似元为1，在不知道实际卫星运动偏差值的情况下，设实际卫星运动完全按理论值运动，则运动模拟器相对实际卫星最大偏差取为J1、J2和J3中的最大值，相似元的值为Q₁＝1-max{J1、J2、J3}，其中max{...}表示取最大值；

(2.2)、测量系统

对于测量系统，设Wc和Fc分别表示实际飞行器测量系统的误差和仿真系统的测量误差，并且仿真缩比为K，如果满足K×Fc≤Wc，认为地面测量系统能够完全模拟卫星测量系统，则相似元定为1；否则按照公式计算相似元的值；

(2.3)动力学仿真系统

仿真时，动力学仿真系统对空间扰动力矩进行数学建模并进行Matlab/Simulink仿真，在RTW下自动生成C代码，并经过修改后生成供LabVIEW直接调用的动态链接库，在LabVIEW RT实时系统中运行，对于这部分相似元值计算，通过与STK仿真系统仿真得到的数据进行比较得到结果，计算方法为：其中X_D表示动力学计算出来的卫星的位置和速度，X_STK表示STK计算出来的卫星的位置和速度；

(2.3)GNC控制模块

仿真时GNC控制模块采用的制导控制率与航天器实际采用的控制率相同，故相似元值直接取为Q₄＝1；

第3步：确定权系数

根据系统差别对仿真结果的影响程度分析，这四个系统相似性的重要程度依次为测量系统、运动系统、动力学运动学系统、GNC控制系统，所以它们的权重影响程度成单调减关系，根据层次分析法得判断矩阵P：

$P=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 3& 6\\ 1/2& 1& 2& 3\\ 1/3& 1/2& 1& 2\\ 1/6& 1/3& 1/2& 1\end{array}\right]---(3-1)$

求出最大特征值λ_max＝4.0104；一致性指标CI＝0.0035，平均随机一致性指数RI₍₄₎＝0.90，于是一致性指标CR＝CI/RI₍₄₎＝0.0039＜0.1；故认为判断矩阵一致性是能够接受的；

将判断矩阵P按列归一化得：

$\stackrel{\‾}{P}=\left[\begin{array}{cccc}0.5000& 0.5217& 0.4615& 0.5000\\ 0.2500& 0.2609& 0.3077& 0.2500\\ 0.1667& 0.1304& 0.1538& 0.1667\\ 0.0833& 0.0870& 0.0769& 0.0833\end{array}\right]---(3-2)$

将列元素归一化后的矩阵按行相加并将列向量归一化处理，得：

β＝[β₁ β₂ β₃ β₄]^T＝[0.4959 0.2671 0.1544 0.0826]^T      (3-3)

其中β₁，β₂，β₃，β₄即为各个相似元的权重系数；

第4步：计算仿真系统的相似度

由于系统间对应的元素看成相似元，则相似度为：

这样就得到了仿真系统的相似度Q。