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方案

本发明专利技术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，本发明专利技术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。本发明专利技术实现了(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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术具有如下技术效果，本专利技术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专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。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专利技术的
技术实现思路
、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专利技术，并不用来限定本专利技术。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。如临近空间与本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵磊，
申请(专利权)人：北京天恒长鹰科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11