通用飛行器半實物模擬技術淺析

半實物模擬

又稱為硬體在迴路中的模擬（Hardware in the Loop Simulation），是指在模擬實驗系統的模擬迴路中接入部分實物的實時模擬，實時性是進行半實物模擬的必要前提。

半實物模擬相較於其他類型的模擬方法，可以更經濟地實現更高真實度的模擬效果。從系統的觀點來看，半實物模擬允許在系統中接入部分實物，意味著可以把部分實物放在系統中進行考察，從而使部件能在滿足系統整體性能指標的環境中得到檢驗。

因此半實物模擬是提高系統設計可靠性和研製質量的必要手段。

模擬技術的興起與發展

模擬方法的應用最早可追溯到1773年， 法國自然學家用模擬方法做物理實驗估計值。1876年美國統計學家第一次用模擬方法做隨機數實驗。1908年W.S.Gosset用模擬方法證明了t分布法。20世紀40年代初美國開始了飛行模擬器的設計。1966年美國麻省理工學院的林肯實驗室開始研製頭盔式顯示器。1983年美國的先進防禦研究項目署開始開發實用的虛擬戰場，設計出SIMNET系統。1989年形成了約260個地面裝甲模擬器及通迅網路、指揮所和數據處理設備等互聯的網路，結點分布在美國和德國的11個城市。1989年北歐制定歐幾里德計劃，將模擬技術作為11項優先合作發展的項目之一。1992年美國提出22項國家關鍵技術，模擬技術列第16項；提出21項國防關鍵技術，模擬技術列第6項。20世紀90年代美國進行了擴展的防空模擬系統( EADSIM) 計劃，該系統用於攻防體系對抗研究的作戰模擬系統。

近年來美國更加重視模擬，將發展合成模擬環境作為國際科技發展的7個科技推動領域之一。因此可以說模擬技術是科學實驗的有效手段， 對科學技術的發展起到了巨大的推動作用。

圖1 波音飛機半實物模擬環境

半實物模擬技術自 20 世紀60年代問世以來，在美國太空梭研製領域始終盛行不衰。美國人非常重視這方面的研究和應用，把模擬和模擬技術看作是降低導彈防禦和戰術導彈武器系統生命周期費用的切實可行的手段。 在制導武器系統的開發方面應用模擬和模擬技術已經有很長的歷史，認為系統模擬是武器研製成功的關鍵。

美國大多數主要的航天和國防承包商都有一個或多個半實物模擬試驗室， 這些實驗室代表了當前世界先進水平。其先進性體現在高速高精度的模擬機和先進完備的環境模擬設備。

在國內，半實物模擬技術在導彈制導、火箭控制、衛星姿態控制等應用研究方面也達到了較高水平。

半實物模擬在飛行器領域的應用與環境組成

20世紀80年代我國建設了一批高水平、大規模的半實物模擬系統， 如射頻制導導彈半實物模擬系統、紅外製導導彈半實物模擬系統、殲擊機工程飛行模擬器、殲擊機半實物模擬系統、驅逐艦半實物模擬系統等。這些半實物模擬系統在武器型號研製中發揮了重大作用。

20世紀90年代我國開始對分布交互模擬、虛擬現實等先進模擬技術及其應用進行研究，開展了較大規模的複雜系統模擬，由單個武器平台的性能模擬發展為多武器平台在作戰環境下的對抗模擬。

目前國際大型客機與戰機都建設了相應的半實物模擬環境，國內各大主機廠所和戰術導彈研發基地也有相應的半實物模擬試驗環境。大型飛機的半實物模擬環境也稱為「鐵鳥試驗環境」，鐵鳥環境主要由以下模塊組成：

1

飛控計算機

即飛機半實物模擬環境的「大腦」，實時接收模擬試驗中姿態角、姿態角速率和舵機等數據並進行控制律解算，再將解算得出的控制信號實時發送給ITF系統；

2

ITF系統

即系統試驗器，負責對飛控計算機與半實物模擬環境進行數據交聯與換算，內部集成豐富的I/O、AD/DA等介面，並具備多種操作界面以便於對飛機多餘度控制、故障定位等試驗進行模擬模擬；

3

IMU慣導與感測器單元

該單元集成了飛機真實陀螺儀、加速度計和大氣機等設備，並加入轉檯模擬慣導計算機的真實三維運動，輸出感測器等數據給飛控計算機，模擬飛機飛行過程的真實運動；

4

鐵鳥台架

鐵鳥以鋼製或者複合材料裝配飛機方向舵、副翼、平尾、前襟和鴨翼等舵面，並集成相應的舵機和感測器，用於模擬飛機飛行過程中各個舵面的運動與舵偏舵效；

圖2 C919飛機鐵鳥試驗台

5

視景系統

視景一般配備有座艙與球幕，主要用於模擬飛機飛行過程中真實的地景與空中環境，以及飛機真實機動動作，以便於駕駛員在地面對飛行品質進行體驗和評估。

圖3 新舟60飛機多維運動模擬器

通用飛行器半實物模擬核心技術

通用飛行器半實物模擬技術日新月異，但萬變不離其宗，其核心技術主要有以下幾個方面：

◆建模途徑

建立模型需要確定模型的結構和參數，一般有三種途徑：

（1）對內部結構和特性清楚的系統，利用已知的一些基本定律，經過分析和演繹推導出系統模型；

（2）對那些內部結構和特性不清楚的系統，可假設模型並通過試驗驗證和修正建立模型，也可以用辨識的方法建立模型；

（3）對於內部結構和特性有部分了解，但又不甚了解的則採用以上兩種方法相結合的方式。

◆建模方法

隨著模擬應用範圍的不斷拓寬，近年來系統建模理論與方法的研究範圍逐漸從定量系統向定性系統拓寬，其中典型的定性系統建模方法有Kuiper法以及各類基於模糊理論的方法等。此外在離散事件系統及各類並發分布系統的建模方法中，Petri網及Bond圖方法及其應用也有較快的發展。從建模的方法來看，除了典型的機理建模及系統辨識方法外，近年來積極發展的模糊優化法、人工智慧輔助建模方法及混合模式( multi paradigm)的建模方法等。

VV&A(verification,validation and accreditation) 技術，即系統模型的校核、模擬模型的驗證以及模擬結果的認可技術，已成為複雜系統建模與模擬技術中的重要課題，受到各方面，尤其是軍事部門的高度重視，並正從局部的、分散的研究向實用化、自動化、規範化與集成化的VV&A系統發展。

◆模擬演算法

模擬演算法是將系統模型轉換成模擬模型的一類演算法，經歷了從串列演算法到並行演算法的發展過程。目前連續系統與離散事件系統的非實時串列演算法已相當完善，其成果包括處理線性、非線性、剛性、間斷右函數等連續系統演算法，各類分布參數系統演算法，各種隨機統計演算法及基於系統分割、方法分割和時間分割的部分並行演算法。

當前研究的重點是實時連續系統演算法、各類系統的並行演算法及定性系統演算法， 其中並行系統演算法的效率將是並行模擬計算機發展中的關鍵課題。

◆ 模擬運動環境模擬技術

半實物模擬都需要運動環境模擬器，具體包括角運動模擬器和目標運動模擬器。角運動模擬器用於復現被測實物(如導彈、航天器)本身的短周期運動，目標運動模擬器用於模擬被測實物相對目標的運動。

目前角運動模擬器較為常用的轉檯為二軸或三軸。為實現精確模擬， 需要解決以下幾項關鍵技術:低慣量、高剛度的框架材料和結構;高功率、低慣量的電動或液壓馬達;高頻響、高線性度、低滯後的伺服閥; 高頻響、高精度、超低速的高性能數字控制方法及多軸運動耦合的解耦技術等。

據文獻記載，美國生產的S458R-5SE型紅外/激光模擬器可以給被測設備提供47600NM的轉動扭矩;S-593R-5E型模擬器的內三軸(實現飛行運動模擬)和內目標轉軸可以實現連續轉動，負載重115Kg，橫滾/俯仰/方位內三軸的最大加速度為8000/4000/4000/s2， 伺服帶寬為40/30/30Hz，而其定位精度為2」。

目前美國正在研製一種概念型的高頻運動模擬器，要求其每個控制環節的帶寬達到1000Hz， 這個數值遠遠超過了傳統模擬器的50Hz的極限值，同時除了為被體驗體提供3個轉動自由度外，還可提供3個平移自由度。這樣就可以更逼真地模仿被測實物的實際振動。

◆ 對象和環境特性模擬技術

對於電磁和光學效應這兩種目標環境， 各國普遍研究和利用的有兩種半實物模擬系統：一種是射頻模擬系統用於復現雷達目標的射頻環境(包括目標、背景和干擾)，在不同頻段上產生多種射頻目標和背景是現在射頻模擬系統目標模擬的發展方向；另外一種是紅外模擬系統。

隨著科技的發展，當今紅外導彈探測目標時，看到的不再是一個點而是目標的紅外圖像。目前各國均在研製紅外成像的制導武器，這樣不僅可提高對目標的辨識能力，而且可提高武器系統的殺傷效率。

應用半物理模擬方法研究紅外成像導引頭是較為實用的方法， 其中的關鍵技術是目標與環境的動態紅外圖像的實時生成。另外為了適應帶有射頻/紅外雙模式導引頭導彈試驗的需要，可在一台設備上產生這兩種目標和背景的半模擬系統也是將來必須研究的課題。

◆ 模擬軟體

模擬研究的許多活動是通過模擬軟體來實現的。模擬軟體是一類面向模擬用途的專用軟體，其特點是面向問題、面向用戶。自1955年第一個數字模擬軟體問世以來，按新技術出現的時間可將模擬軟體的發展分為5個階段：

（1）通用程序設計語言(如Fortran，1960年左右);

（2）多種模擬程序包及初級模擬語言(1960~1970年，如GPSS);

（3）高度完善的商品化模擬語言( CSSLIV、ACSL、SLAM、ICSL等，20世紀70年代至20世紀80年代初);

（4）一體化(局部智能化)建模與模擬環境(如TESS、IMSE、IMSS，1984 年)；

（5）智能化建模與模擬環境(20世紀80年代後期至今)。

圖4 飛行器建模模擬過程

近40年以來，在應用需求的推動下，模擬軟體充分吸收了模擬方法學、計算機、網路技術、圖形/圖像技術、多媒體、軟體工程、系統工程、自動控制、人工智慧等技術的新成果，從而得到迅速的發展。

從用戶建模友好性角度看，由初期的機器代碼，經歷較高級的編程語言、面向問題描述的模擬語言，發展到模塊化概念，進而發展到面向對象編程。

從人機環境的發展角度看，由初期的圖形支持到剛性動畫、互動式模擬，進一步發展到基於矢量的圖形支持，並向虛擬現實發展。

從支持模擬活動的角度看，由支持部分活動發展到支持全生命周期的一體化模擬環境，用於支持活動中的團隊工作與流程管理。

不難看出，模擬軟體的發展目標一直是不斷改善其面向問題、面向用戶的模型描述能力及增強它對模型建立、試驗、分析、設計和檢驗的功能。

新技術的不斷湧現和發展、建模與模擬技術自身的不斷發展、新的建模與模擬方法學的提出以及受實際應用需求的驅動在深度與廣度上均加速和拓寬了模擬軟體的發展與應用。

◆ 模擬軟體未來進一步發展的幾個方面：

（1）進一步改善建模模擬功能。模擬軟體繼續開發引入新的建模模擬方法學，支持模型的中性表達，提高現存和新的模擬模型的可重用性與移植性；採用代理技術，WAVE技術支持分布、開放、複雜動態系統的大規模模擬；在建模模擬過程中應用軟體工程和人工智慧的方法和工具；採用集成的方法和工具整合結果；

（2）面向全生命周期。強調建模/模擬/實驗/驗證全生命周期各類活動的優化管理，並發分布交互模擬工程模式將是複雜系統模擬的重要工作模式；

（3）基於標準、基於軟匯流排的開放式體系結構；

（4）更面向專業領域/ 面向用戶， 擴大應用領域；

（5）支持虛擬樣機開發；

（6）支持分布交互模擬。

◆ 模擬系統通訊介面技術

模擬系統的介面包括設備介面和人-機介面。目前導彈和航天器模擬主要涉及實物系統的連接，其半實物模擬試驗有兩種情況：一種用於系統性能而儘可能多地接入實物的半實物模擬試驗；另一種用於檢驗飛行軟體而僅含控制計算機實物的半實物模擬實驗。

在進行模擬試驗時，涉及的信息變換介面主要發生在模擬計算機的輸入。對於第一種情況的模擬試驗，模擬所引入的介面發生在模擬計算機與導航制導設備的環境模擬設備之間；而對於後一種情況的模擬試驗，模擬計算機必須直接與控制計算機相連接，需要模擬導航制導設備的輸出信號。

目前除了一般的D/A、A/D介面之外，主要的信息轉換介面有D/A (或D/D)加正弦調製、D/A(或D/ D)加脈寬調製、D/A(或D/D)加V/f(或 D/f)變換、D/A加V/I變換、D/D變換，其他還有一些地線、阻抗隔離電路和傳輸電纜。總之介面連接中不應該引入干擾和畸變。

圖5 飛行器虛擬現實技術

◆ 虛擬現實技術

虛擬現實(virtual reality)技術是現代模擬技術的一個重要研究領域，其核心是建模與模擬。通過建立模型，對人、物、環境及其相互關係進行本質的描述，並在計算機上實現，從根本上改變了人與計算機的關係。

飛行器模擬、虛擬戰場、虛擬樣機、虛擬製造等均是虛擬現實技術的典型應用。虛擬現實技術是在綜合模擬技術、計算機圖形技術、感測技術、顯示技術等多種學科技術的基礎上發展起來的，它以模擬的方式使人置身於一個虛擬世界中。

3個I是虛擬現實的基本特徵，即沉浸(immersion)、交互(interaction)、構思(imagination)。我們可以沉浸在一個由計算機系統所創造的虛擬環境中，與虛擬環境發生交互作用，並得到與實際的物理參與聯試所能獲得的相同或相似的感受。

進一步的研究包括分散式虛擬環境、虛擬環境建模、分散式可交互環境資料庫、虛擬環境顯示、虛擬測試、分散式多維人機交互及標準化等。

21世紀，無人機與智能化飛行器技術發展迅猛，對於無人機的半實物模擬環境建設要求也日益提高。模擬建模是系統模擬的基礎。在全數字模擬結合半實物模擬的今天，系統模擬能否達到預期的效果，數學模型將起到關鍵作用。

動態建模和大系統建模將走向實用化，環境模擬設備將向著空間集成化、機械輕量化和試驗多功能化的方向發展。研究並組建適合每個飛行器的半實物模擬環境，是飛行器研發過程所不可或缺的一個關鍵環節。

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