CN106855693A - 一种临近空间浮空器半物理仿真系统、航电系统测试与飞控半物理仿真方法及地面操纵方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于模块化设计的临近空间浮空器半物理仿真系统，其中，该系统包括机载计算机、仿真计算机、执行机构、采集系统、链路系统、地面测控站、调试分线盒。另外，本发明还涉及一种临近空间浮空器航电系统测试与飞控半物理仿真方法和一种临近空间浮空器地面操纵方法。本发明实现了(1)临近空间浮空器半物理仿真；(2)半物理仿真平台的重复利用；(3)航电系统的地面验证试验；(4)地面飞行操纵，进而解决现有技术中存在的临近空间浮空器半物理仿真实时性和同步性、有效提高了临近空间浮空器的仿真效果。

Description

一种临近空间浮空器半物理仿真系统、航电系统测试与飞控 半物理仿真方法及地面操纵方法

技术领域

本发明涉及一种基于模块化设计的临近空间浮空器半物理系统、航电系统测试与飞控半物理仿真方法与地面操纵方法，适用于不同构型临近空间浮空器的半物理仿真、航电系统集成测试和操纵训练，属于计算机仿真技术及应用领域。

背景技术

临近空间一般指距地面20～100km，即普通航空器飞行空间与卫星轨道空间之间的空域。临近空间浮空器是指能够飞行在临近空间执行特定任务的浮空器，既能比卫星提供更多更精确的信息(相对于某一特定区域)，并节省使用卫星的费用，又能比通常的航空器减少遭地面敌人攻击的机会。

临近空间浮空器高空试飞试验周期长，成本高，重复利用率低，从而对临近空间浮空器高空试飞进行仿真试验是降低试验周期和成本的主要手段，其中数值仿真可以进行原理性验证，无法结合实际设备物理特性进行研究。因次，进行半物理仿真试验是必不可少的。尤其，在其即将进入产品化的现阶段，需要进行大量的半物理仿真试验来缩短研制周期。

目前，世界众多已进入在轨验证阶段或研究的航天部门均非常重视关键技术的地面验证工作，建立了全物理/半物理仿真平台，以此降低系统研制风险。在现有系统方案基础上，基于半物理仿真平台搭建航电系统设备测试平台与人员训练平台，可用于验证真实系统的可靠性和培训地面操控人员。上述平台可提供一种航电系统集成测试方案与操控训练方案，极大提高高空飞行试验的成功率。但是，临近空间浮空器布局方案的多样化与其自身建模的不确定性，增加了其半物理飞行控制仿真试验的难度。因此，如何构建简洁可靠、可重复利用的临近空间浮空器飞行平台半物理飞仿真系统是临近空间浮空器的关键技术之一。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出了基于模块化设计的临近空间浮空器半物理仿真系统、方法与地面操纵方法，解决了以下技术问题：(1)临近空间浮空器半物理仿真；(2)半物理仿真平台的重复利用；(3)航电系统的地面验证试验；(4)地面的飞行操纵。

本发明提供一种基于模块化设计的临近空间浮空器半物理仿真系统，包括：机载计算机、仿真计算机、执行机构、采集系统、链路系统、地面测控站、调试分线盒，其特征在于：

机载计算机，包括飞行管理计算机、飞行控制计算机和采集计算机，实现机载数据采集、机载数据处理、飞行控制及安全控制；机载计算机内运行与其实际工作时的机载程序；

仿真计算机，其采用高计算能力工作站，运行模拟临近空间浮空器飞行的仿真程序；仿真计算机与机载计算机之间通过串口进行通信，仿真计算机接收来自机载计算机解算出的作动机构控制量，通过仿真计算得到下一时刻浮空器的飞行状态，并回传给飞行控制计算机；

执行机构包括高空螺旋桨推进系统、矢量推进系统、喷气推进系统与气动舵面；

采集系统，用于采集浮空器在飞行时的状态；

链路系统，其是地面测控站与机载端的通信媒介；

地面测控站，其是地面人员的操控终端，接受来自机载端的遥测数据，将其解析展示给操纵人员，实现对浮空器的监测；还用于将操纵人员的操纵指令上传至机载端，实现对浮空器的控制；

调试分线盒，其是将机载计算机所有物理接口进行整合的设备，对各个端口进行重新配置，实现模块化处理。

优选地，机载计算机与采集系统之间进行数据交互，所述数据包括浮空器当前遥测数据；机载计算机向调试分线盒发送执行机构当前状态，调试分线盒将浮空器当前飞行状态返回给机载计算机；调试分线盒通过串口与仿真计算机进行信息交互；机载计算机与链路系统进行数据交互，该数据包括遥控遥测数据；机载计算机通过链路系统与地面测控站进行信息交互。

优选地，机载计算机发送飞控执行指令给执行机构，执行机构将设备当前的状态返回给机载计算机。

优选地，采集系统包括温度传感器、拉力传感器、位姿传感器、风场传感器中的任一项及其组合。

优选地，执行机构包括带载电机、控制舵面、矢量电机、囊体阀门中的任一项及其组合。

优选地，链路系统包括通讯链路机载端、衰减器中的任一项及其组合。

优选地，仿真计算机包括模拟临近空间浮空器、浮空器运动学和动力学模型中的任一项及其组合。

本发明还提供一种临近空间浮空器航电系统测试与飞控半物理仿真方法，包括以下步骤：(1)单独测试航电系统各设备状态；(2)进行半物理系统集成；(3)分系统测试；(4)启动仿真计算机浮空器模型模拟程序；(5)由地面测控站进行不同模式下半物理仿真试验。(6)进行全系统长时考机。

本发明还提供一种临近空间浮空器地面操纵方法，包括以下步骤：(1)完成半物理仿真试验；(2)进行链路切换训练；(3)进行遥控飞行训练；(4)进行飞行模式切换训练；(5)进行各种模式下飞控参数在线调节训练。

优选地，上述方法还包括步骤(6)撰写飞行操纵手册。

本发明具有如下技术效果，本发明针对临近空间浮空器研制过程中需要大量进行半物理仿真、系统检验、参试人员培训等需求，提出了基于半物理系统分别设计了半物理仿真系统和地面飞行操纵人员训练系统，并对半物理系统进行模块化设计，提高了其模块通用性，增加了平台利用率，使其能够在上述技术环节均能发挥较大作用。

附图说明

附图图示了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1示出了基于模块化设计的临近空间浮空器半物理系统的结构框图。

图2示出了临近空间浮空器航电系统测试与飞控半物理仿真方法的流程图。

图3示出了临近空间浮空器地面操纵方法的流程图。

具体实施例

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

一种基于模块化的临近空间浮空器半物理系统，如图1所示，该系统主要包括机载计算机、仿真计算机、执行机构、采集系统、链路系统、地面测控站、调试分线盒

机载计算机包括飞行管理计算机、飞行控制计算机和采集计算机。机载计算机可随临近空间浮空器总体方案进行变化，能够实现以下功能：机载数据采集、机载数据处理(遥控遥测数据、飞行控制数据、安全管理数据等)、飞行控制(自主+遥控)、安全控制等。机载计算机内需运行与其实际工作时机载程序。其中，飞行控制程序包含遥控与自主飞行功能，可根据地面遥控指令或浮空器当前状态与自主飞行算法解算作动机构控制量。

机载计算机发送飞控执行指令给执行机构，执行机构将设备当前的状态返回给机载计算机；其中，执行机构包括带载电机、控制舵面、矢量电机、囊体阀门等。

仿真计算机采用高计算能力工作站，运行模拟临近空间浮空器飞行的仿真程序。仿真计算机与机载计算机之间通过串口进行通信，仿真计算机接收来自机载计算机解算出的作动机构控制量，通过仿真计算得到下一时刻浮空器的飞行状态，并回传给飞行控制计算机，完成本次循环的半物理仿真。仿真程序充分考虑了浮空器建模的不确定性与飞行环境(温度、风场等)的时变特性。仿真控制计算机能够根据机载计算机系统发送相对位姿的初值和相对位置的初值生成仿真场景并控制三轴电动转台和三维平移台运动；另外，仿真控制计算机还根据机载计算机系统推送的导航参数与仿真场景中的仿真真值比较，作为评价待验证算法性能的依据。

执行机构随临近空间浮空器总体方案进行调整，包括但不限于高空螺旋桨推进系统、矢量推进系统、喷气推进系统与气动舵面等。在搭建半物理系统时，应充分考虑执行机构实际工作状态。如临近空间与地面大气系统密度相差较大，因而高空螺旋桨无法在地面进行全负荷工作，需要对其进行适当的拟真处理：采用无翼型桨等。

采集系统用于采集浮空器在飞行时的状态，其包括温度传感器、拉力传感器、位姿传感器(导航设备)、风场传感器等。半物理系统中充分对采集系统进行测试，了解其数据特性，必要时进行滤波处理，得到可靠数据。

其中，对状态的采集，要求能够依据用户设定的采样频率实现对信号的采集；对指令的发送，要求能够依据用户预先设定的或实际运行的条件，实现指定格式指令的发送；对采集数据按指定形式进行实时显示和定时打印，确定显示形式为三种，分别为表格显示、曲线显示和拓扑图显示；对采集数据状态的判读和报警显示，对采集数据的状态进行判读，当超过预期的范围时，报警提示用户；对所有浮空器模拟设备的工作状态和数据的设定、监测，实现实时在线监控。

链路系统为地面测控站与机载端的通信媒介。在产品试制阶段，为了对不同频段的链路临近空间通信技术进行试验，并提高试飞成功率，临近空间浮空器往往搭载多个链路设备，包括U频段、C频段、L频段、S频段、卫星通讯等。由于场地限制，无法对链路设备进行长时间拉锯测试，集成半物理系统的链路系统需进行信号衰减。由于链路设备众多，如何实现不同链路设备之间的切换，也需进行充分考虑。因此，在半物理系统中，在保证所有链路设备安全可靠的同时，不同链路设备之间的切换也应进行针对性训练。

地面测控站是地面人员的操控终端。地面测控站可以接受来自机载端的遥测数据，将其解析展示给操纵人员，实现对浮空器的监测；也可以将操纵人员的操纵指令上传至机载端，实现对浮空器的控制。半物理系统中地面测控站即为真实系统中所采用设备，包括地面端链路设备、数据处理计算机、操纵界面、飞行摇杆等。通过半物理仿真试验，可对地面站相关功能进行检验；通过操纵人员训练，使其数据地面测控站特性，便于实现实际飞行操作。

调试分线盒是将机载计算机所有物理接口进行整合的设备。在半物理系统中可根据需要对各个端口进行重新配置，实现模块化。如对执行机构类型的更换、采集传感器的更换、仿真计算机的更换等。

机载计算机与采集系统之间进行数据交互，所述数据包括浮空器当前遥测数据，所述采集系统包括压力采集器、温度采集器等。

机载计算机向调试分线盒发送执行机构当前状态，调试分线盒将浮空器当前飞行状态返回给机载计算机；调试分线盒通过串口与仿真计算机进行数据交互，该仿真计算机可以是模拟临近空间浮空器、浮空器运动学和动力学模型。

机载计算机与链路系统进行数据交互，该数据包括遥控遥测数据，该链路系统包括通讯链路机载端、衰减器；机载计算机通过链路系统与地面测控站进行信息交互。

图2图示了根据本发明的一个实施例的临近空间浮空器航电系统测试与飞控半物理仿真方法操作流程如下：

(1)单独测试航电系统各设备状态；

在进行半物理系统集成之前，需对所有航电设备进行单独测试，保证所有设备均可靠。需对所有传感器进行标定，并所有测控系统进行拉锯测试、衰减测试。

(2)进行半物理系统集成；

将模块化的临近空间浮空器半物理系统进行集成，在Windows+RTX实时系统环境下，根据半物理仿真试验规定的通讯协议，对浮空器飞行数据信号进行编码，将浮空器的行程状态信号以及喷流等状态信号发送给仿真设备，临近空间浮空器半物理系统通过接收仿真设备计算出来的浮空器数据信号，完成各模块之间的数据通信。

(3)分系统测试；

半物理系统集成完毕后应依次进行系统通讯测试、采集测试、遥控测试来检验数据链路、传感器与机载计算机的有效性。

(4)启动仿真计算机浮空器模型模拟程序；

进行浮空器飞行运动仿真，实时计算在执行机构作用下的浮空器运动状态。可根据浮空器的一般动力学模型建立适用于特征参数实时在线识别的特征模型，构建浮空器特征参数与浮空器运动状态之间的关系，再根据浮空器上现有传感器对运动状态量的可测量结果，直接或间接构建出用于在线实时综合识别出浮空器飞行状态的特征状态量。

(5)由地面测控站进行不同模式下半物理仿真实验；

依次进行遥控飞行、定航向飞行、航路跟踪飞行、区域驻留飞行等预定飞行模式半物理仿真，并进行各飞行模式间切换。

(6)进行全系统长时考机；

使用半物理系统与真实能源系统相结合的方案，对所有电系统进行长时考机试验，测试其长时可靠性。

图3图示了根据本发明的一个实施例的临近空间浮空器地面操纵方法操作流程如下：

(1)完成半物理仿真试验；

通过测量部件在部件级测量时建立的内部数据库的位姿信息比对，获得位姿测量部件实际的测量信息，根据位姿控制系统模拟器发出的调令将此真实的位姿信息发送到机载计算机中的位姿控制系统的控制器模拟器；控制器模拟器获得位姿信息后，进行轨道和控制计算，然后发送控制信息给执行机构；执行机构获得控制器模拟器发来的控制信息后，根据执行机构在机构级测量时建立的内部数据库的数据进行比对，获得执行机构实际的执行信息；执行机构将此实际的执行信息传送给飞行环境与运动模拟器的轨道与动力学解算器Craft；轨道与动力学解算器Craft获得执行机构的实际执行信息后，通过动力学计算得出浮空器的位姿信息，将该位姿信息发送给位姿测量部件，如此循环，完成系统能半物理仿真试验。

(2)进行链路切换训练；

浮空器和地面站之间可以通过多条通信链路进行通信，这样，在浮空器执行全球飞行任务时，地面站可以获取前述的多条通信链路的工作状态，其中，通信链路的工作状态可以包括开启状态和关闭状态，在开启状态，通信链路可以正常工作，在关闭状态，通信链路不能正常工作。在获取到前述的多条通信链路的工作状态之后，地面站可以筛选出多条通信链路中工作状态正常的通信链路，也即，筛选出多条通信链路中处于开启状态的通信链路，并把处于开启状态的通信链路确定为目标通信链路，其中，处于开启状态的通信链路可以是前述的多条通信链路中的全部或者部分链路，也即，目标通信链路可以包括一条或者多条。地面站在确定目标通信链路之后，可以通过目标通信链路对浮空器执行测控。

需要说明的是，前述的多条通信链路可以包括以下通信链路中的两条或者多条：主用实时通信链路、备用实时通信链路、定时通信链路和视距通信链路，其中，视距通信链路可以包括移动便携站通信链路。主用实时通信链路可以用于浮空器与地面站进行实时通信；备用实时通信链路可以为主用实时通信链路的备份，即，在主用实时通信链路出现故障时，备用实时通信链路代替它执行测控任务。定时通信链路可以用于在浮空器进入预设区域时，浮空器与地面站进行定时通信。其中，地面站与浮空器之间进行实时通信的同时可以进行定时通信；或者，地面站与浮空器之间仅仅进行实时通信。视距通信链路可以用于在浮空器与地面站之间的距离满足视距条件时，浮空器与地面站进行视距通信。

(3)进行遥控飞行训练；

通过主用实时通信链路可以实现对浮空器的实时遥测、遥控及低速数据传输。主用实时通信链路主要用于进行超视距通信备用实时通信链路所对应的通信卫星可以实现全球覆盖，备用实时通信链路可以对位于任意经纬度的浮空器进行实时的测控。作为主用实时通信链路的备份，在主用实时通信链路不可用的区域，可通过备用实时通信链路对浮空器进行测控

(4)进行飞行模式切换训练；

依次进行遥控飞行、定航向飞行、航路跟踪飞行、区域驻留飞行等预定飞行模式半物理仿真，并进行各飞行模式间切换。

(5)进行各种模式下飞控参数在线调节训练；

浮空器飞行数据在线训练调节可通过滑窗与归一化、观测矩阵子集抽取和过采样投影近似基追踪(OSPABP)三个部分对多维的飞行数据流进行在线调节，其中：(1)滑窗与归一化是为了建立观测矩阵，其中，滑窗从无限的飞行数据流中存储并更新预设宽度的飞行数据；归一化主要考虑到原始飞行数据中，不同量纲的参数相互间不存在可比性，将影响后续异常检测结果，归一化到同一数量级后，可解决原始参数间量纲不统一问题。

其中，该观测矩阵为H_p×m＝{α₁,…,α_m}，H_p×m维度为_p×m，列数m为滑窗所记录的过去时间点长度，行数p为所记录的飞行参数数量，α为飞行数据模式载t时刻的输入向量。

(2)飞行数据中相关的参数组成的数据子集是检测对象，因此，需要从观测矩阵中抽取相关子集(如高度类参数子集、垂向速度类参数子集等)。

(3)过采样投影近似基追踪(OSPABP)在线检测算法。当原始数据空间出现异常数据时，数据子空间方向会随之发生角度变化。因而，OSPABP实质上通过度量子空间方向变化程度实现异常检测，同时利用子空间方向对飞行模式切换的不敏感性，抑制飞行模式切换造成的误检测，改善检测准确率。

可选地，包括步骤(6)撰写飞行操纵手册。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于模块化设计的临近空间浮空器半物理仿真系统，包括：机载计算机、仿真计算机、执行机构、采集系统、链路系统、地面测控站、调试分线盒，其特征在于：

机载计算机，包括飞行管理计算机、飞行控制计算机和采集计算机，实现机载数据采集、机载数据处理、飞行控制及安全控制；机载计算机内运行与其实际工作时的机载程序；

仿真计算机，其采用高计算能力工作站，运行模拟临近空间浮空器飞行的仿真程序；仿真计算机与机载计算机之间通过串口进行通信，仿真计算机接收来自机载计算机解算出的作动机构控制量，通过仿真计算得到下一时刻浮空器的飞行状态，并回传给飞行控制计算机；

执行机构包括高空螺旋桨推进系统、矢量推进系统、喷气推进系统与气动舵面；

采集系统，用于采集浮空器在飞行时的状态；

链路系统，其是地面测控站与机载端的通信媒介；

地面测控站，其是地面人员的操控终端，接受来自机载端的遥测数据，将其解析展示给操纵人员，实现对浮空器的监测；还用于将操纵人员的操纵指令上传至机载端，实现对浮空器的控制；

调试分线盒，其是将机载计算机所有物理接口进行整合的设备，对各个端口进行重新配置，实现模块化处理。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：机载计算机与采集系统之间进行数据交互，所述数据包括浮空器当前遥测数据；机载计算机向调试分线盒发送执行机构当前状态，调试分线盒将浮空器当前飞行状态返回给机载计算机；调试分线盒通过串口与仿真计算机进行信息交互；机载计算机与链路系统进行数据交互，该数据包括遥控遥测数据；机载计算机通过链路系统与地面测控站进行信息交互。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：机载计算机发送飞控执行指令给执行机构，执行机构将设备当前的状态返回给机载计算机。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：采集系统包括温度传感器、拉力传感器、位姿传感器、风场传感器中的任一项及其组合。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：执行机构包括带载电机、控制舵面、矢量电机、囊体阀门中的任一项及其组合。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：链路系统包括通讯链路机载端、衰减器中的任一项及其组合。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：仿真计算机包括模拟临近空间浮空器、浮空器运动学和动力学模型中的任一项及其组合。

8.一种临近空间浮空器航电系统测试与飞控半物理仿真方法，根据权利要求1-7中的任一项仿真系统来执行，其特征在于：(1)单独测试航电系统各设备状态；(2)进行半物理系统集成；(3)分系统测试；(4)启动仿真计算机浮空器模型模拟程序；(5)由地面测控站进行不同模式下半物理仿真试验；(6)进行全系统长时考机。

9.一种临近空间浮空器地面操纵方法，根据权利要求1-7中的任一项仿真系统来执行，其特征在于：(1)完成半物理仿真试验；(2)进行链路切换训练；(3)进行遥控飞行训练；(4)进行飞行模式切换训练；(5)在不同飞行模式下飞控参数在线调节训练。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：还包括步骤(6)撰写飞行操纵手册。