[发明专利]刚-柔-液耦合复杂航天器仿真系统及方法

说明书

本发明涉及航天器仿真技术，为提出一个仿真系统，实现包括实时数值仿真、半实物仿真以及视景显示在内的全方位刚‑柔‑液耦合复杂航天器仿真。本发明，刚‑柔‑液耦合复杂航天器仿真系统，由三台计算机，五台实时xPC仿真目标机，以及一架三轴转台构成，其中一台计算机为主控计算机，运行仿真系统主控平台；一台计算机为视景计算机，运行视景仿真平台；一台计算机为转台控制计算机，负责实现转台控制功能；主控计算机与五台xPC仿真目标机通过光纤连接并传输数据，运行控制器的xPC仿真目标机通过串口与转台控制计算机进行通信，主控计算机通过以太网和视景计算机连接。本发明主要应用于航天器仿真场合。

技术领域

本发明涉及实时数值仿真、网络通信、半实物仿真、计算机编程和视景显示等领域，尤其涉及一种基于xPC Target(一种高性能的主机-目标机构原型环境，同xPC，下同)的刚-柔-液耦合复杂航天器仿真平台。

背景技术

随着对空间研究、开发与应用能力的不断提高，我国需要研制并发射大量面向各种任务要求的航天器，航天器的结构组成日趋复杂：从传统的刚-柔/刚-液航天器转变为复杂的刚-柔-液航天器。如何使得刚-柔-液耦合复杂航天器在空间环境中具有灵活的机动能力和较高的稳定能力，更加稳定、高质量地在轨运行与服务，已成为目前航天技术领域亟待解决的重要问题。

为了真实反映刚-柔-液耦合复杂航天器的特性，在航天研究中需要对航天器进行建模，而刚-柔-液耦合复杂航天器建模具有如下难点：模型方面，模型的刚-柔-液耦合特性难以分析，稳定条件难以获取；姿态稳定方面，液体燃料晃动及柔性附件振动难以抑制，姿态控制精度低；姿态机动方面，强烈液体晃动情况下，难以兼顾机动快速性及液体燃料晃动强度。

在进行刚-柔-液耦合复杂航天器Simulink(MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，下同)仿真的基础上，将高性能实时仿真设备应用到仿真过程当中，从而达到提高仿真精度的目的。当下主流的实时仿真装置是xPCTarget。xPC Target是一套应用于产品原型测试、实时系统配置及开发的PC机解决方案，由Matlab(美国MathWorks公司出品的商业数学软件，下同)提供，采用的是宿主机-目标机结构，具有实时性好、扩展性高、可靠性强等一系列优点，xPC的应用在航天器仿真过程研究中均具有重要的意义。

模型的复杂化不断加深的同时，对于真实航天器的模拟越来越逼真，例如六自由度模型就能够逼真的反映刚-柔-液耦合复杂航天器在飞行过程中的速度以及角度变化。半实物仿真是介于数字仿真与实物实验之间的过程，能够保证仿真系统可以最大限度的接近真实实验情况。通过半实物仿真技术，可以将一些实物设备加入到仿真回路中进行仿真。本发明运用半实物仿真原理，设计并开发三轴仿真转台，以半实物仿真的形式对刚-柔-液耦合复杂航天器飞行姿态的进行呈现。

在新时代的航天器仿真研究的过程中，学科的交叉起到了十分重要的作用。其中一个关键的产物就是视景仿真技术，它是结合了计算机图形学和3D仿真等相关技术的应用。所有的3D开发底层都必须遵循OpenGL(全称Open Graphics Library，是指定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口，下同)或DirectX(DirecteXtension，是由微软公司创建的多媒体编程接口，下同)标准，并且高级语言和图形库的出现进一步推动了三维视景仿真的进步。21世纪以来，随着3D技术的不断发展，一些游戏引擎应运而生。时下比较主流的的3D游戏引擎包括Unity 3D、BigWorld、Cry Engine、Unreal 4等。游戏引擎可以解决游戏开发时可能出现的各类问题，并向开发者提供一套通用的基础设施。对于视景平台开发而言，游戏引擎提供了视景开发所需的全套解决方案。