CN107085385A - 一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器仿真技术领域，具体来说是一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统及方法，包括一多通道卫星信号模拟器、一地磁场模拟器及分别包含动力学平台、磁场测量仪、GNSS接收机、飞行控制器的多个飞行器，仿真系统和仿真方法通过时钟模块统一多个飞行器及各模块的时间，并形成数据闭环，实现了模拟多飞行器自主飞行的地面仿真，克服了人工模拟飞行器仿真时多个飞行器之间的时间难以同步的问题，能验证多机编队自主导航与控制方案的有效性及多机时间的同步性，从而能对整体编队飞行的飞行效果进行有效评估。

Description

一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及飞行器仿真技术领域，具体来说是一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统及方法。

背景技术

随着航空技术的发展，航空飞行器已经由人工编队飞行进入自主编队飞行，因而模拟多机自主编队飞行的仿真系统，对飞行任务的推演及培训用户使用自主飞行器有着重要的作用，也是必不可少的条件。在现有飞行仿真系统中，多是人工根据规划好的路径、自主导航或者人工导航信息来控制飞行器的飞行，不仅难以验证自主导航与控制算法，也无法克服多机编队中之间的同步性问题，更无法评估整个自主编队飞行的效果，并且在现有多机编队仿真系统中,是在每个飞行器中配备一个六自由度运动系统，由于需使用多套六自由度运动系统及其相关配套设备，这无疑也增加了整个系统的复杂性和经济成本。

针对多机编队自主飞行模拟的要求及现有飞行模拟系统的局限性，如何解决飞行模拟系统的局限性、降低模拟仿真系统的复杂性及经济成本，是仿真控制领域需解决的问题。

发明内容

为解决在飞行器仿真系统中无法验证多机编队自主导航与控制方案有效性及多机执行任务时间同步性的问题，本发明提供一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统及方法，以验证多机编队自主导航与控制方案的有效性及多飞行器的同步性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统，包括一多通道卫星信号模拟器、一地磁场模拟器、时钟模块及分别包含动力学平台、磁场测量仪、GNSS接收机、飞行控制器的多个飞行器，

所述每一飞行器的动力学平台模拟飞行器运动状况，并对外输出产生的动力学信息；

所述的多通道卫星信号模拟器接收每一飞行器的动力学平台输出的动力学信息后，模拟出射频信号，输出给对应飞行器的GNSS接收机；

所述的GNSS接收机在接收到多通道卫星信号模拟器输出的射频信号后，得出该飞行器的导航信息，并将导航信息输出至飞行控制器；

所述的地磁场模拟器接收每一飞行器的动力学平台输出的动力学信息后，模拟对应飞行器在该位置、该时刻的地磁场所述的磁场测量仪在地磁场模拟的地磁场中测量飞行器的磁场信息，并输出至对应的飞行控制器；

所述的时钟模块按同一时间间隔分别对多通道卫星信号模拟器的时间、每一飞行器的动力学平台的时间和飞行控制器的时间进行同步；

所述的每一飞行器的飞行控制器根据动力学信息解算出姿态信息，在接收到GNSS接收机输出的导航信息和磁场测量仪输出的磁场信息后，计算得到飞行器的控制力和力矩，并输出给对应的飞行器的动力学平台，从而控制每一飞行器的轨迹及姿态，形成多个飞行器的仿真闭环。

进一步地，所述的仿真系统还包括六自由度运动系统，所述的六自由度运动系统在接收到任一飞行器的动力学信息后，对模拟该飞行器的飞行状况进行评估。

进一步地，所述的多通道卫星信号模拟器的不同通道分别与每一飞行器的动力学平台建立数据连接，并分别由对应飞行器的动力学平台输出的动力学信息驱动。

进一步地，所述的地磁场模拟器带有分别与每一飞行器的动力学平台建立数据连接的多个通道。

进一步地，所述的动力学信息包括飞行器的位置、速度、经度、纬度、高度及姿态信息。

进一步地，所述的动力学平台向多通道卫星信号模拟器发送飞行器的位置和速度。

进一步地，所述的动力学平台向GNSS接收机发送飞行器的经度、纬度、高度。

进一步地，所述的动力学平台以飞行控制器输出的控制指令作为输入数据，以数字的方式模拟每个飞行器的运行轨迹及姿态状态，并输出飞行器的动力学信息。

本发明还提供一种模拟多飞行器自主飞行的仿真方法，所述的仿真方法具体包括以下步骤：

S1.将多个飞行器的动力学平台对应与该飞行器的GNSS接收机、磁场模测量仪、飞行控制器和多通道卫星信号模拟器的不同通道、磁场模拟器和时钟模块建立数据通信；

S2.时钟模块按同一时间间隔分别对多个飞行器的动力学平台的时间、飞行控制器的时间和多通道卫星信号模拟器的时间进行同步；

S3.各飞行器的动力学平台分别模拟飞行器飞行过程，产生飞行器的动力学信息等信息；

S4.各飞行器的动力学平台实时解算飞行器的运行状态，并分别向多通道卫星信号模拟器和磁场模拟器发送飞行器的动力学信息，同时，将解算的姿态信息发送至各飞行器的飞行控制器；

S5.磁场模拟器在接收到各飞行器的动力学平台输出的动力学信息后，模拟各飞行器此时、此地的地磁场强度；

S6.磁场模拟器中的磁场测量仪测量得到磁场强度后，将磁场信息输出给对应的飞行器的飞行控制器；

S7.多通道卫星信号模拟器在接收到动力学信息后，向飞行器的GNSS接收机对应输出射频信号；

S8.GNSS接收机根据接收到的射频信号计算得出飞行器的导航信息，并将导航信息输出至对应飞行器的飞行控制器；

S9.各飞行控制器在接收到飞行器的姿态信息、导航信息和磁场信息后，依据姿态信息、导航信息和磁场信息计算飞行器的控制力及力矩，发出控制飞行器飞行过程的控制指令至飞行器的动力学模块，返回步骤S3。

进一步地，所述的仿真方法还包括：

S10.六自由度运动系统在接收到任一飞行器的动力学信息后，对模拟该飞行器的飞行状况进行评估。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本仿真系统和仿真方法实现了模拟多飞行器自主飞行的地面仿真，克服了人工模拟飞行器仿真时多个飞行器之间的时间难以同步的问题，能验证多机编队自主导航与控制方案的有效性及多机时间的同步性，从而能对整体编队飞行的飞行效果进行有效评估；

2.仿真系统还包括六自由度运动系统，在接收到任一飞行器的动力学信息后，对航空飞行器自主飞行状况进行评估，验证飞行器的功能及验证自主导航飞行的控制算法，降低了飞行仿真系统的复杂性和经济成本；

3.具有可扩展性，可以根据实际情况需要，增加或者减少需要模拟的参与编队的飞行器的数量，并在增加飞行器的情况下相应改变多通道卫星信号模拟器通道、磁场模拟器、动力学平台、GNSS接收机、磁场测量仪、飞行控制器等模块的数量即可。

附图说明

图1是本发明中仿真系统的系统框图；

图2是本发明中仿真方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的技术方案进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提出的多飞行器的仿真系统和仿真方法实现了模拟多飞行器自主飞行的地面仿真，保证了多机编队自主导航与控制方案的有效性及多机时间的同步性，从而能对整体编队飞行的飞行效果进行有效评估。以下结合附图和实施例对本发明的仿真系统和仿真方法进一步说明。

实施例1

参见图1，为本发明中多飞行器自主飞行仿真系统的系统框图，从整体上来看，仿真系统主要包括多通道卫星信号模拟器、磁场模拟器、时钟模块及包含动力学平台、磁场测量仪、GNSS接收机、飞行控制器的多个飞行器。

每一飞行器的动力学平台分别向多通道卫星信号模拟器和磁场模拟器发送动力学信息，动力学信息包括飞行器在飞行过程中产生的各飞行器位置、速度、经度、纬度、高度及飞行器的姿态信息等，其中，动力学平台向多通道卫星信号模拟器输出位置和速度，而向地磁场模拟器输出该飞行器的精度、纬度、高度。

多通道卫星信号模拟器的不同通道分别与各飞行器建立数据传输，并分别由对应飞行器的动力学平台输出的位置信息驱动；多通道卫星信号模拟器可根据动力学信息产生射频信号，并将射频信号输出给GNSS接收机；GNSS接收机根据射频信号产生导航信息，并发送给对应的飞行控制器。本发明中的多通道卫星信号模拟器可选用多通道、多频率的卫星信号模拟器，可以同时模仿多位置、多频率卫星信号的射频导航信号，例如，可以模拟产生BD2、GPS、GLONASS等星座的高动态射频信号。

地磁场模拟器在接收到飞行器输出的动力学信息后，模拟飞行器此时所在位置的地磁场；磁场测量仪放置于地磁场模拟器中，将测量出的磁场强度输出给飞行控制器。本发明中的地磁场模拟器对应飞行器的个数应选用多通道的磁场模拟器，地磁场模拟器带有分别与每一飞行器的动力学平台建立数据连接的多个通道，磁场模拟器的原理是按时序控制，利用线圈通以不同大小的电流来模拟产生相应的磁场，现有技术中已有多种能模拟产生磁场的设备，在此对其工作原理不赘述。

时钟模块可产生基准时间，并按同一时间间隔分别对各飞行器的动力学平台的时间、飞行控制器的时间和、多通道卫星信号模拟器的时间进行同步，从而实现了整个仿真系统时间上的一致性。

各飞行控制器根据动力学信息解算出姿态信息，在结合GNSS接收机输出的导航信息、磁场测量仪输出的磁场信息后进行计算，得到飞行器的控制力及控制力矩，并将控制力和力矩返回给对应动力学平台，形成飞行器的仿真闭环，从而控制各飞行器的姿态及轨迹运动。

现对飞行器的整个系统构造进行说明，参见图1，每一飞行器应分别包括动力学平台、GNSS接收机、磁场测量仪及飞行控制器

动力学平台：

动力学平台以飞行控制器输出的控制指令作为输入数据，以数字的方式模拟每个飞行器的运行轨迹及姿态状态，并输出飞行器的动力学信息，将动力学信息分别发送至多通道卫星信号模拟器和地磁场模拟器，并将计算出的飞行器的姿态信息输出至飞行控制器；

GNSS接收机：

GNSS接收机接收多通道卫星信号模拟器输出的射频信号后，得出该飞行器的导航信息，并将导航信息输出至飞行控制器；

磁场测量仪：

磁场测量仪放置多通道于磁场模拟器中，测量飞行器所在位置的地磁场信息，并将磁场信息输出给飞行控制器；

最后，由飞行控制器综合动力学平台输出的姿态信息、GNSS接收机输出的导航信息和磁场模拟仪输出的磁场信息，计算得出该飞行器的控制力及力矩，发出控制飞行器姿态及轨迹的控制指令至动力学平台，动力学平台按控制指令模拟飞行器飞行，从而使每一飞行器的动力学平台与多通道卫星信号模拟器、地磁场模拟器、GNSS接收机、磁场测量仪、飞行控制器之间形成数据闭环，如图1中所示，图1中由于篇幅有限，A、B、C分别代表不同飞行器的飞行控制器分别发出控制指令至动力学平台的过程。需注意的是，在时间同步时，时钟模块是向每一飞行器的动力学平台和飞行控制器都输出时间，即图1所示的时钟模块将D(时间数据)分别向每一飞行器的动力学平台和飞行控制器和多通道卫星信号模拟器输出。

此外，本发明中的仿真系统还包括一套六自由度运动系统，六自由度运动系统本质是由数字计算机实时控制，并能提供俯仰、滚转、偏航、升降、纵向和侧向平移的六自由度瞬时过载仿真设备。本发明中的六自由度运动系统根据仿真任务的要求，去接收任一飞行器的动力学信息，在接收到任一飞行器的动力学信息后，能单独对该飞行器的飞行状况进行评估，无需在每个飞行器中配备一个六自由度运动系统来对多机编队进行验证。从而可以有效评估飞行器自主飞行状况，同时可以有效验证GNSS接收机、磁强计的功能及验证自主导航与飞行的控制算法。

采用本发明的仿真系统可验证多机编队自主导航与控制方案的有效性及多机时间的同步性，还可通过六自由度运动系统评估编队飞行的整体性能、任务成功率及飞行的经济性，降低仿真系统的成本。本仿真系统还具有扩展性，可以根据实际情况需要，增加或者减少需要模拟的参与编队的飞行器的数量，若需要改变需模拟的飞行器的数量，只需改变动力学平台、地磁场模拟器、GNSS接收机、磁场测量仪、飞行控制器等模块的数量即可。

实施例2

本发明另外还提供一种模拟多飞行器自主飞行的仿真方法，参见图2，仿真方法具体包括以下步骤：

S1.将多个飞行器的动力学平台对应与该飞行器的GNSS接收机、磁场模测量仪、飞行控制器和多通道卫星信号模拟器的不同通道、磁场模拟器和时钟模块建立数据通信；

S2.时钟模块按同一时间间隔分别对多个飞行器的动力学平台的时间、飞行控制器的时间和多通道卫星信号模拟器的时间进行同步；

S3.各飞行器的动力学平台分别模拟飞行器飞行过程，产生飞行器的动力学信息等信息；

S4.各飞行器的动力学平台实时解算飞行器的运行状态，并分别向多通道卫星信号模拟器和磁场模拟器发送飞行器的动力学信息，同时，将解算的姿态信息发送至各飞行器的飞行控制器；

S5.磁场模拟器在接收到各飞行器的动力学平台输出的动力学信息后，模拟各飞行器此时、此地的地磁场强度；

S6.磁场模拟器中的磁场测量仪测量得到磁场强度后，将磁场信息输出给对应的飞行器的飞行控制器；

S7.多通道卫星信号模拟器在接收到动力学信息后，向飞行器的GNSS接收机对应输出射频信号；

S8.GNSS接收机根据接收到的射频信号计算得出飞行器的导航信息，并将导航信息输出至对应飞行器的飞行控制器；

S9.各飞行控制器在接收到飞行器的姿态信息、导航信息和磁场信息后，依据姿态信息、导航信息和磁场信息计算飞行器的控制力及力矩，发出控制飞行器飞行过程的控制指令至飞行器的动力学平台，返回步骤S3。

其中，动力学信息包括飞行器的位置、速度、经度、纬度、高度及姿态信息等，动力学平台向多通道卫星信号模拟器发送飞行器的位置和速度，并向GNSS接收机发送飞行器的经度、纬度、高度。

本发明中的仿真方法在通过统一多个飞行器的动力学平台的时间和飞行控制器的时间、多通道卫星信号模拟器的时间、情况下同步各飞行器、各模块的时间，保证了多机时间的同步性，再该前提条件下，再使每个飞行器的动力学平台、多通道卫星信号模拟器、磁场模拟器、GNSS接收机、飞行控制器之间形成数据闭环，在飞行控制器发出控制指令至飞行器的动力学平台后循环，从而能对各飞行器的飞行过程的数据实时更新，验证多机编队自主导航与控制方案的有效性。

此外，本发明还可根据仿真任务的要求，去接收任一飞行器的动力学信息在接收到任一飞行器的动力学信息后，对该飞行器的飞行状况进行评估，同时可以有效验证GNSS接收机、磁强计的功能及验证自主导航与飞行的控制算法。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围，以上公开的仅为本发明优选实施例。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (10)

1.一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统，其特征在于，包括一多通道卫星信号模拟器、一地磁场模拟器、时钟模块及分别包含动力学平台、磁场测量仪、GNSS接收机、飞行控制器的多个飞行器，

所述每一飞行器的动力学平台模拟飞行器运动状况，并对外输出产生的动力学信息；

所述的多通道卫星信号模拟器接收每一飞行器的动力学平台输出的动力学信息后，模拟出射频信号，输出给对应飞行器的GNSS接收机；

所述的GNSS接收机在接收到多通道卫星信号模拟器输出的射频信号后，得出该飞行器的导航信息，并将导航信息输出至飞行控制器；

所述的地磁场模拟器接收每一飞行器的动力学平台输出的动力学信息后，模拟对应飞行器在该位置、该时刻的地磁场所述的磁场测量仪在地磁场模拟的地磁场中测量飞行器的磁场信息，并输出至对应的飞行控制器；

所述的时钟模块按同一时间间隔分别对多通道卫星信号模拟器的时间、每一飞行器的动力学平台的时间和飞行控制器的时间进行同步；

所述的每一飞行器的飞行控制器根据动力学信息解算出姿态信息，在接收到GNSS接收机输出的导航信息和磁场测量仪输出的磁场信息后，计算得到飞行器的控制力和力矩，并输出给对应的飞行器的动力学平台，从而控制每一飞行器的轨迹及姿态，形成多个飞行器的仿真闭环。

2.根据权利要求1所述的一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统，其特征在于，所述的仿真系统还包括六自由度运动系统，所述的六自由度运动系统在接收到任一飞行器的动力学信息后，对模拟该飞行器的飞行状况进行评估。

3.根据权利要求1所述的一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统，其特征在于，所述的多通道卫星信号模拟器的不同通道分别与每一飞行器的动力学平台建立数据连接，并分别由对应飞行器的动力学平台输出的动力学信息驱动。

4.根据权利要求1所述的一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统，其特征在于，所述的地磁场模拟器带有分别与每一飞行器的动力学平台建立数据连接的多个通道。

5.根据权利要求1所述的一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统，其特征在于，所述的动力学信息包括飞行器的位置、速度、经度、纬度、高度及姿态信息。

6.根据权利要求5所述的一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统，其特征在于，所述的动力学平台向多通道卫星信号模拟器发送飞行器的位置和速度。

7.根据权利要求5所述的一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统，其特征在于，所述的动力学平台向GNSS接收机发送飞行器的经度、纬度、高度。

8.根据权利要求1所述的一种模拟多飞行器自主飞行的仿真系统，其特征在于，所述的动力学平台以飞行控制器输出的控制指令作为输入数据，以数字的方式模拟每个飞行器的运行轨迹及姿态状态，并输出飞行器的动力学信息。

9.一种模拟多飞行器自主飞行的仿真方法，其特征在于，所述的仿真方法具体包括以下步骤：

S1.将多个飞行器的动力学平台对应与该飞行器的GNSS接收机、磁场模测量仪、飞行控制器和多通道卫星信号模拟器的不同通道、磁场模拟器和时钟模块建立数据通信；

S2.时钟模块按同一时间间隔分别对多个飞行器的动力学平台的时间、飞行控制器的时间和多通道卫星信号模拟器的时间进行同步；

S3.各飞行器的动力学平台分别模拟飞行器飞行过程，产生飞行器的动力学信息等信息；

S4.各飞行器的动力学平台实时解算飞行器的运行状态，并分别向多通道卫星信号模拟器和磁场模拟器发送飞行器的动力学信息，同时，将解算的姿态信息发送至各飞行器的飞行控制器；

S5.磁场模拟器在接收到各飞行器的动力学平台输出的动力学信息后，模拟各飞行器此时、此地的地磁场强度；

S6.磁场模拟器中的磁场测量仪测量得到磁场强度后，将磁场信息输出给对应的飞行器的飞行控制器；

S7.多通道卫星信号模拟器在接收到动力学信息后，向飞行器的GNSS接收机对应输出射频信号；

S8.GNSS接收机根据接收到的射频信号计算得出飞行器的导航信息，并将导航信息输出至对应飞行器的飞行控制器；

S9.各飞行控制器在接收到飞行器的姿态信息、导航信息和磁场信息后，依据姿态信息、导航信息和磁场信息计算飞行器的控制力及力矩，发出控制飞行器飞行过程的控制指令至飞行器的动力学平台，返回步骤S3。

10.根据权利要求7所述的一种模拟多飞行器自主飞行的仿真方法，其特征在于，所述的仿真方法还包括：

S10.六自由度运动系统在接收到任一飞行器的动力学信息后，对模拟该飞行器的飞行状况进行评估。