CN113375501A - 一种火箭发射训练系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种火箭发射训练系统，包括箭体系统、发射系统、控制系统、测量系统以及动力系统。还提供一种采用上述火箭发射训练系统的火箭发射训练方法。发射系统完成数字化的发射准备工作，控制系统、测量系统、动力系统分别模拟输出设备、检测设备、供能设备的运行并分别进行数据的采集和处理以及进行控制，控制系统根据各设备的参数对箭体系统进行控制，使其模拟火箭发射后的飞行姿态，并根据对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画，如此完整的模拟了火箭发射的各个环节，学员也能够清楚直观的了解到火箭发射中具体的运行状态，相比现有纯软件、理论教学或实际发射，更具有训练的意义，效果显著。

Description

一种火箭发射训练系统及方法

技术领域

本发明涉及火箭发射技术领域，尤其涉及一种火箭发射训练系统及方法。

背景技术

随着科技的发展，越来越多的企业投身航天事业，而其中最重要的一个工作就是火箭发射，火箭发射的质量直接决定了航天任务是否成功，因此传统中承担发射工作的相关人员在实际发射前会不断进行训练，以保证高质量的完成发射工作。

而在现有技术中，对于相关人员的训练基本采用纯软件、理论教学或实际参与等方式，而纯软件和理论教学的方式过于脱离实际发射工作，从而无法让学员真实的了解到发射的具体情况，其次实际参与则会对发射工作造成较大的风险。因此现有技术中的火箭发射训练方案效果不好。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供一种火箭发射训练系统及方法。

在一个实施例中，本发明提供一种火箭发射训练系统，包括箭体系统、发射系统、控制系统、测量系统以及动力系统；

发射系统用于根据预设发射车数据生成发射车进行各项发射动作的发射车仿真动画；

箭体系统用于模拟火箭发射后的飞行姿态，并根据飞行姿态对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画；

控制系统用于模拟火箭上的输出设备的运行，并对模拟的输出设备进行数据的采集和处理以及进行控制；

测量系统用于模拟火箭上的检测设备的运行，并对模拟的检测设备进行数据的采集和处理；

动力系统用于模拟火箭上的供能设备的运行，并对模拟的供能设备进行数据的采集和处理以及进行控制；

控制系统还用于根据输出设备、检测设备、供能设备反馈的数据控制箭体系统模拟火箭发射后的飞行姿态。

在一个实施例中，箭体系统包括箭体结构、设置在箭体结构上的箭载计算机、三轴转台、设置在三轴转台上的惯组、火箭仿真计算机；

箭体结构用于现场展示火箭的基本形状；

三轴转台用于根据在控制系统的控制下进行转动；

惯组用于检测三轴转台的实时转动数据并发送至箭载计算机；

箭载计算机用于对转动数据进行处理得到实时姿态数据并发送至火箭仿真计算机；

火箭仿真计算机用于根据实时姿态数据生成飞行仿真动画。

在一个实施例中，火箭仿真计算机包括实时飞行仿真计算机和视景仿真计算机；

实时飞行仿真计算机用于生成火箭实时飞行仿真动画；

视景仿真计算机用于生成飞行视景仿真动画。

在一个实施例中，发射系统包括发射车仿真计算机；

发射车仿真计算机用于生成发射车进行各项发射动作的发射车仿真动画，各项发射动作包括发射车机动和火箭起竖。

在一个实施例中，控制系统包括箭上控制系统、前端控制系统、后端控制系统、转台控制器；

箭上控制系统用于模拟输出设备的运行；

前端控制系统用于模拟火箭上对输出设备进行数据的采集和处理以及进行控制的前端控制设备；

后端控制系统用于模拟地面上对输出设备进行数据的采集和处理以及进行控制的后端控制设备；

转台控制器用于根据输出设备、检测设备、供能设备控制三轴转台进行转动。

在一个实施例中，测量系统包括箭上测量系统、前端测量系统、后端测量系统；

箭上测量系统用于模拟检测设备的运行；

前端测量系统用于模拟火箭上对检测设备进行数据的采集和处理的前端数据处理设备；

后端测量系统用于模拟地面上对检测设备进行数据采集和处理的后端数据处理设备。

在一个实施例中，动力系统包括箭上动力系统、前端动力系统、后端动力系统；

箭上动力系统用于模拟供能设备的运行；

前端动力系统用于模拟火箭上对供能设备进行数据的采集和处理以及进行控制的前端动力处理设备；

后端动力系统用于模拟地面上对供能设备进行数据的采集和处理以及进行控制的后端动力处理设备。

在一个实施例中，发射系统还包括指挥终端电脑；

指挥终端电脑用于供教员对模拟的火箭上的各种设备注入对应的故障及下达操作口令。

在一个实施例中，发射系统还包括测试发射控制舱和指挥车舱；

指挥终端电脑设置在所述指挥车舱内，火箭仿真计算机、发射车仿真计算机、后端控制系统、后端测量系统、后端动力系统设置在测试发射控制舱内。

第二方面，在一个实施例中，本发明提供一种采用上述火箭发射训练系统的火箭发射训练方法，包括：

发射系统通过发射车仿真动画完成数字化的发射车机动和火箭起竖；

接收到发射指令后，控制系统根据输出设备、检测设备、供能设备反馈的数据向箭体系统发送驱动信号；

箭体系统根据驱动信号模拟火箭发射后的飞行姿态，并根据飞行姿态对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画。

通过上述火箭发射训练系统及方法，发射系统完成数字化的发射准备工作，控制系统、测量系统、动力系统分别模拟输出设备、检测设备、供能设备的运行并分别进行数据的采集和处理以及进行控制，在训练前，可以输入预设轨道数据至系统中，系统则按照预设轨道数据调整输出设备、检测设备、供能设备的参数，控制系统根据各设备的参数对箭体系统进行控制，使其模拟火箭发射后的飞行姿态，并根据对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画，如此完整的模拟了火箭发射的各个环节，学员也能够清楚直观的了解到火箭发射中具体的运行状态，相比现有纯软件、理论教学或实际发射，更具有训练的意义，效果显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为本发明一个实施例中火箭发射训练系统的结构组成示意图；

图2为本发明一个实施例中火箭发射训练系统的电路结构示意图；

图3为本发明一个实施例中火箭发射训练方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一方面，如图1所示，在一个实施例中，本发明提供一种火箭发射训练系统，包括箭体系统、发射系统、控制系统、测量系统以及动力系统；

发射系统用于根据预设发射车数据生成发射车进行各项发射动作的发射车仿真动画；

箭体系统用于模拟火箭发射后的飞行姿态，并根据飞行姿态对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画；

控制系统用于模拟火箭上的输出设备的运行，并对模拟的输出设备进行数据的采集和处理以及进行控制；

测量系统用于模拟火箭上的检测设备的运行，并对模拟的检测设备进行数据的采集和处理；

动力系统用于模拟火箭上的供能设备的运行，并对模拟的供能设备进行数据的采集和处理以及进行控制；

控制系统还用于根据输出设备、检测设备、供能设备反馈的数据控制箭体系统模拟火箭发射后的飞行姿态。

其中，发射系统包括发射车仿真计算机，通过发射车仿真计算机根据预设发射车数据来进行数字化的发射车机动以及火箭起竖等工作，即发射车仿真动画。

箭体系统包含有驱动机构，实现飞行模拟；具体的，当接收到发射指令后，控制系统根据输出设备、检测设备以及供能设备反馈的数据确定实时弹道数据，根据实时弹道数据控制驱动机构运动，使其模拟火箭发射后的飞行姿态，箭体系统还根据对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画。

其中，输出设备是指发动机、方向部件等，检测设备是指用于检测各类参数的传感部件，供能部件是指燃料箱、输送管道等，模拟设备的运行具体是通过设备的状态参数来表征对应的设备，比如模拟发动机的运行则可以通过发动机的转速等状态参数来表征，检测设备和供能设备同理。

通过上述火箭发射训练系统，发射系统完成数字化的发射准备工作，控制系统、测量系统、动力系统分别模拟输出设备、检测设备、供能设备的运行并分别进行数据的采集和处理以及进行控制，在训练前，可以输入预设轨道数据至系统中，系统则按照预设轨道数据调整输出设备、检测设备、供能设备的参数，控制系统根据各设备的参数对箭体系统进行控制，使其模拟火箭发射后的飞行姿态，并根据对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画，如此完整的模拟了火箭发射的各个环节，学员也能够清楚直观的了解到火箭发射中具体的运行状态，相比现有纯软件、理论教学或实际发射，更具有训练的意义，效果显著。

如图1所示，在一个实施例中，箭体系统包括箭体结构、设置在箭体结构上的箭载计算机、三轴转台、设置在三轴转台上的惯组、火箭仿真计算机；

箭体结构用于现场展示火箭的基本形状；

三轴转台用于根据在控制系统的控制下进行转动；

惯组用于检测三轴转台的实时转动数据并发送至箭载计算机；

箭载计算机用于对转动数据进行处理得到实时姿态数据并发送至火箭仿真计算机；

火箭仿真计算机用于根据实时姿态数据生成飞行仿真动画。

其中，箭体结构是指一个按照真实火箭缩比得到的火箭模型。三轴转台是指能够在空间三轴上进行转动的驱动机构，当箭体结构的体型较小时，可以设置在三轴转台上，以便更加真实的模拟火箭的飞行姿态，惯组包括各种位置传感器，包括角度传感器、惯性传感器、加速度传感器等。

其中，惯组包括光纤惯组。

具体的，当发射车仿真计算机完成发射前的机动和起竖工作后，火箭仿真计算机获取当前发射车仿真动画中火箭的初始姿态数据并发送至控制系统，控制系统根据初始姿态数据控制三轴转台调整至初始位置。接收到发射指令后，控制系统通过模拟的各设备反馈的数据控制三轴转台进行转动，惯组则检测三轴转台的实时转动数据并发送至箭载计算机，箭载计算机用于通过运动算法对实时转动数据进行处理得到实时姿态数据，然后发送至火箭仿真计算机来生成对应的飞行仿真动画。在该过程中，火箭的飞行仿真动画是由模拟的各设备决定的，因此教员或指导员可以介入修改各设备的状态参数，从而使飞行仿真动画脱离预设弹道数据，以使学员进行介入调整，使得到的飞行仿真动画重新与预设弹道数据对应，实现训练的目的。

如图1所示，在一个实施例中，火箭仿真计算机包括实时飞行仿真计算机和视景仿真计算机；

实时飞行仿真计算机用于通过火箭动力学模型解算，生成火箭实时飞行仿真动画；

视景仿真计算机用于生成飞行视景仿真动画。

其中，飞行视景仿真动画是指火箭飞行过程中的背景动画，而火箭实时飞行仿真动画则是指火箭本身相对于背景动画中的各参照点的运动动画。

其中，实时飞行仿真计算机由于需要通过惯组输入的检测数据并基于火箭动力学模型解算来生成对应的动画，而视景仿真计算机和发射车仿真计算机则是直接根据预设发射车数据和视景数据生成，因此实时飞行仿真计算机须为与视景仿真计算机和发射车仿真计算机独立的计算机，而视景仿真计算机和发射车仿真计算机则可以为同一个计算机。三个计算机生成的动画可以通过视频合成技术进行融合以便更清楚的进行展示，三个计算机之间也能够通信，可以相互获取动画数据。

如图1所示，在一个实施例中，控制系统包括箭上控制系统、前端控制系统、后端控制系统、转台控制器；

箭上控制系统用于模拟输出设备的运行；

前端控制系统用于模拟火箭上对输出设备进行数据的采集和处理以及进行控制的前端控制设备；

后端控制系统用于模拟地面上对输出设备进行数据的采集和处理以及进行控制的后端控制设备；

转台控制器用于根据输出设备、检测设备、供能设备控制三轴转台进行转动。

其中，前端控制系统主要是用于模拟实际中设置在火箭上的前端控制设备，后端控制系统主要是用于模拟实际中设置在地面上的后端控制设备。前端控制系统通常具有一定分析能力，并能够对输出设备进行自动化控制，比如根据预设弹道数据进行自动化控制。后端控制系统则是用于在地面进行远程手动控制，后端控制系统也是学员的训练系统。当然在针对载人飞船的火箭发射训练中，前端控制系统也可以作为学员的训练系统。

其中，三轴转台实际模拟的就是火箭的方向组件，而转台控制器则是对应方向组件的驱动组件，转台控制器能够根据各设备反馈的数据进行计算，得到实时姿态数据，并根据实时姿态数据生成三轴转台的驱动信号，进而控制三轴转台进行转动。当然在其他实施例中，转台控制器也可以仅用于根据上位控制系统发送的信号生成驱动信号。

如图1所示，在一个实施例中，测量系统包括箭上测量系统、前端测量系统、后端测量系统；

箭上测量系统用于模拟检测设备的运行；

前端测量系统用于模拟火箭上对检测设备进行数据的采集和处理的前端数据处理设备；

后端测量系统用于模拟地面上对检测设备进行数据采集和处理的后端数据处理设备。

其中，对于箭上测量系统、前端测量系统、后端测量系统的理解与上述箭上控制系统、前端控制系统、后端控制系统一致，在此不再赘述。

其中，检测设备包括非电量测量设备、电量测量设备、GNSS测量设备、传输设备、供配电设备、应答机、引导信标机等设备。

如图1所示，在一个实施例中，动力系统包括箭上动力系统、前端动力系统、后端动力系统；

箭上动力系统用于模拟供能设备的运行；

前端动力系统用于模拟火箭上对供能设备进行数据的采集和处理以及进行控制的前端动力处理设备；

后端动力系统用于模拟地面上对供能设备进行数据的采集和处理以及进行控制的后端动力处理设备。

其中，对于箭上动力系统、前端动力系统、后端动力系统的理解与上述箭上控制系统、前端控制系统、后端控制系统一致，在此不再赘述。

其中，供能设备包括压力传感器、温度、电磁阀等固体或液体火箭动力系统。

如图1所示，在一个实施例中，发射系统还包括指挥终端电脑；

指挥终端电脑用于供教员对模拟的火箭上的各种设备注入对应的故障及下达操作口令。

其中，指挥终端电脑用于接收教员的控制指令，根据控制指令向输出设备、检测设备和/或供能设备发送对应的控制信号，输出设备、检测设备和/或供能设备根据对应的控制信号调整自身的状态参数，以模拟实际中各设备发生故障的情况。例如GNSS(GlobalNavigation Satellite System，全球卫星导航系统)信号异常、压力传感器数据异常、设备电压电流异常、火工品回路阻值异常、惯组数据异常、图像异常、配电失败、箭上设备故障、网络通信异常、无法接收遥测数据、伺服零位异常、惯组转导航异常、电池激活异常、点火失败等。

如图1所示，在一个实施例中，发射系统还包括测试发射控制舱和指挥车舱；

指挥终端电脑设置在所述指挥车舱内，火箭仿真计算机、发射车仿真计算机、后端控制系统、后端测量系统、后端动力系统设置在测试发射控制舱内。

通过构建真实的测试发射控制舱和指挥车舱能够真实的还原实际中的地面系统，将三轴转台、箭体结构及箭上控制系统、前端控制系统、箭上测量系统、前端测量系统、箭上动力系统、前端动力系统设置在两舱之外。

如图2所示，在一个实施例中，惯组和箭载计算机连接并采用RS422串口进行通信。指挥终端电脑通过以太网与箭上控制系统、箭上测量系统、箭上动力系统连接。后端控制系统、后端测量系统、后端动力系统通过以太网分别与箭上控制系统、箭上测量系统、箭上动力系统连接。

在一个实施例中，箭体系统还包括与箭载计算机连接的第一无线通信模块，火箭发射训练系统还包括与后端控制系统、后端测量系统和/或后端动力系统连接的第二无线通信模块。通过无线通信，能够更加真实的模拟地面系统与箭上系统之间的通信方式，提高训练效果。

第二方面，如图3所示，在一个实施例中，本发明提供一种采用上述火箭发射训练系统的火箭发射训练方法，包括：

步骤102，发射系统通过发射车仿真动画完成数字化的发射车机动和火箭起竖。

步骤104，接收到发射指令后，控制系统根据输出设备、检测设备、供能设备反馈的数据向箭体系统发送驱动信号。

其中，在此之前，箭体系统还获取发射车仿真动画中火箭的初始姿态数据并发送至控制系统，控制系统先根据初始姿态数据控制箭体系统的驱动机构调整至初始位置。

步骤106，箭体系统根据驱动信号模拟火箭发射后的飞行姿态，并根据飞行姿态对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画。

通过上述火箭发射训练方法，发射系统完成数字化的发射准备工作，控制系统、测量系统、动力系统分别模拟输出设备、检测设备、供能设备的运行并分别进行数据的采集和处理以及进行控制，在训练前，可以输入预设轨道数据至系统中，系统则按照预设轨道数据调整输出设备、检测设备、供能设备的参数，控制系统根据各设备的参数对箭体系统进行控制，使其模拟火箭发射后的飞行姿态，并根据对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画，如此完整的模拟了火箭发射的各个环节，学员也能够清楚直观的了解到火箭发射中具体的运行状态，相比现有纯软件、理论教学或实际发射，更具有训练的意义，效果显著。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种火箭发射训练系统，其特征在于，包括箭体系统、发射系统、控制系统、测量系统以及动力系统；

所述发射系统用于根据预设发射车数据生成发射车进行各项发射动作的发射车仿真动画；

所述箭体系统用于模拟火箭发射后的飞行姿态，并根据所述飞行姿态对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画；

所述控制系统用于模拟火箭上的输出设备的运行，并对模拟的所述输出设备进行数据的采集和处理以及进行控制；

所述测量系统用于模拟火箭上的检测设备的运行，并对模拟的所述检测设备进行数据的采集和处理；

所述动力系统用于模拟火箭上的供能设备的运行，并对模拟的所述供能设备进行数据的采集和处理以及进行控制；

所述控制系统还用于根据所述输出设备、所述检测设备、所述供能设备反馈的数据控制所述箭体系统模拟火箭发射后的飞行姿态。

2.根据权利要求1所述的火箭发射训练系统，其特征在于，所述箭体系统包括箭体结构、设置在所述箭体结构上的箭载计算机、三轴转台、设置在所述三轴转台上的惯组、火箭仿真计算机；

所述箭体结构用于现场展示火箭的基本形状；

所述三轴转台用于根据在所述控制系统的控制下进行转动；

所述惯组用于检测所述三轴转台的实时转动数据并发送至所述箭载计算机；

所述箭载计算机用于对所述转动数据进行处理得到所述实时姿态数据并发送至所述火箭仿真计算机；

所述火箭仿真计算机用于根据所述实时姿态数据生成所述飞行仿真动画。

3.根据权利要求2所述的火箭发射训练系统，其特征在于，所述火箭仿真计算机包括实时飞行仿真计算机和视景仿真计算机；

所述实时飞行仿真计算机用于生成火箭实时飞行仿真动画；

所述视景仿真计算机用于生成飞行视景仿真动画。

4.根据权利要求3所述的火箭发射训练系统，其特征在于，所述发射系统包括发射车仿真计算机；

所述发射车仿真计算机用于生成发射车进行各项发射动作的发射车仿真动画，所述各项发射动作包括发射车机动和火箭起竖。

5.根据权利要求4所述的火箭发射训练系统，其特征在于，所述控制系统包括箭上控制系统、前端控制系统、后端控制系统、转台控制器；

所述箭上控制系统用于模拟所述输出设备的运行；

所述前端控制系统用于模拟火箭上对所述输出设备进行数据的采集和处理以及进行控制的前端控制设备；

所述后端控制系统用于模拟地面上对所述输出设备进行数据的采集和处理以及进行控制的后端控制设备；

所述转台控制器用于根据所述输出设备、所述检测设备、所述供能设备控制所述三轴转台进行转动。

6.根据权利要求5所述的火箭发射训练系统，其特征在于，所述测量系统包括箭上测量系统、前端测量系统、后端测量系统；

所述箭上测量系统用于模拟所述检测设备的运行；

所述前端测量系统用于模拟火箭上对所述检测设备进行数据的采集和处理的前端数据处理设备；

所述后端测量系统用于模拟地面上对所述检测设备进行数据采集和处理的后端数据处理设备。

7.根据权利要求6所述的火箭发射训练系统，其特征在于，所述动力系统包括箭上动力系统、前端动力系统、后端动力系统；

所述箭上动力系统用于模拟所述供能设备的运行；

所述前端动力系统用于模拟火箭上对所述供能设备进行数据的采集和处理以及进行控制的前端动力处理设备；

所述后端动力系统用于模拟地面上对所述供能设备进行数据的采集和处理以及进行控制的后端动力处理设备。

8.根据权利要求7所述的火箭发射训练系统，其特征在于，所述发射系统还包括指挥终端电脑；

所述指挥终端电脑用于供教员对模拟的火箭上的各种设备注入对应的故障及下达操作口令。

9.根据权利要求8所述的火箭发射训练系统，其特征在于，所述发射系统还包括测试发射控制舱和指挥车舱；

所述指挥终端电脑设置在所述指挥车舱内，所述火箭仿真计算机、发射车仿真计算机、后端控制系统、后端测量系统、后端动力系统设置在所述测试发射控制舱内。

10.一种采用权利要求1所述的火箭发射训练系统的火箭发射训练方法，其特征在于，包括：

所述发射系统通过所述发射车仿真动画完成数字化的发射车机动和火箭起竖；

接收到发射指令后，所述控制系统根据所述输出设备、所述检测设备、所述供能设备反馈的数据向所述箭体系统发送控制指令；

所述箭体系统根据所述控制指令模拟火箭发射后的飞行姿态，并根据所述飞行姿态对应的实时姿态数据生成飞行仿真动画。

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