飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)效能評(píng)估方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)效能評(píng)估方法，先根據(jù)系統(tǒng)功能原理選擇相似元，然后確定各相似元的數(shù)值和權(quán)系數(shù)，最后計(jì)算仿真系統(tǒng)的相似度。本方法將效能評(píng)估問題轉(zhuǎn)化為可行度問題，從動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、測(cè)量以及導(dǎo)航制導(dǎo)與控制等方面定量分析“天地一致性”問題，基于可信度理論，客觀量化分析地面仿真系統(tǒng)的可信度。本發(fā)明提供的評(píng)估方法原理清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單，具有比較廣泛的適用范圍，可以為其他仿真系統(tǒng)的效能分析提供參考借鑒。
【專利說明】飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)效能評(píng)估方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)，具體說就是一種飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)效能評(píng)估方法。

【背景技術(shù)】
[0002]飛行器特殊的運(yùn)行環(huán)境使其地面仿真測(cè)試在其研制過程中的作用顯得格外重要，而地面仿真測(cè)試的一個(gè)關(guān)鍵問題是，如何確定地面仿真試驗(yàn)效能，也就是地面測(cè)試結(jié)果在多大程度上說明飛行器在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的情況，也稱為“天地一致性”驗(yàn)證問題。
[0003]效能分析的另一種提法是仿真系統(tǒng)的可信度、相似度，也就是仿真系統(tǒng)作為原型系統(tǒng)的仿真替代系統(tǒng)在特定的建模和仿真的目的及意義下，其總體結(jié)構(gòu)和行為水平能夠復(fù)現(xiàn)原型系統(tǒng)的可信性程度。對(duì)仿真系統(tǒng)可信度進(jìn)行評(píng)估的一個(gè)最基本方法是研究在相同的輸入信號(hào)下仿真系統(tǒng)的輸出與實(shí)際系統(tǒng)的輸出是否一致及其一致性的程度。依據(jù)相似性理論，就是研究仿真系統(tǒng)的輸出與實(shí)際系統(tǒng)輸出之間的相似度。系統(tǒng)的相似度是描述系統(tǒng)間相似性程度的度量，各相似單元相似性集合共同組成了系統(tǒng)的總體相似程度。因此，仿真系統(tǒng)的效能評(píng)估問題就是研究仿真系統(tǒng)和相應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的相似度問題。
[0004]目前關(guān)于飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)相似度評(píng)估方法的相關(guān)資料比較少。經(jīng)檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?201110341918.9，專利名稱為:一種基于仿真的參數(shù)化武器作戰(zhàn)效能分析系統(tǒng)及其分析方法，該專利發(fā)明了一種基于仿真的參數(shù)化武器作戰(zhàn)效能分析系統(tǒng)，通過數(shù)值仿真分析不同情況下的武器的作戰(zhàn)效能，來評(píng)估武器的性能，但是這種方法的相似準(zhǔn)則只適用于武器系統(tǒng)，不適合于空間飛行器地面仿真系統(tǒng)。
[0005]中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?201110256117.2，專利名稱為一種仿真系統(tǒng)可信性評(píng)估方法及系統(tǒng)，該專利通過比對(duì)真實(shí)案例與仿真案例，對(duì)每一個(gè)真實(shí)案例的可信度進(jìn)行加權(quán)，綜合得到仿真系統(tǒng)的可信度。但是，這種評(píng)估方法在可信度權(quán)系數(shù)計(jì)算過程中，依賴于專家經(jīng)驗(yàn)，不論是采取打分或是其他量化手段，本質(zhì)上都屬于定性評(píng)估，缺乏有效的量化分析支持。此外，該方法難以充分利用權(quán)威模型和有效數(shù)據(jù)，影響了評(píng)估結(jié)論的客觀性和說服力。
[0006]在“空間機(jī)器人氣浮式物理仿真系統(tǒng)有效性研究”(空間控制技術(shù)與應(yīng)用，第36卷，第6期，第33-38頁)論文中，北京控制工程研究所的鄭永潔、張篤周等學(xué)者討論了空間機(jī)器人氣浮式仿真系統(tǒng)的有效性，但不能普遍應(yīng)用于其他飛行器地面仿真系統(tǒng)的效能評(píng)估。
[0007]西北工業(yè)大學(xué)的賈杰學(xué)者在他的博士論文“航天器姿態(tài)半物理仿真原理及其試驗(yàn)方法研究”(西安:西北工業(yè)大學(xué)博士論文，37-61頁)中提出了一種航天器半物理仿真系統(tǒng)的有效性分析方法，但是這種方法的評(píng)估參數(shù)較多，在實(shí)際應(yīng)用中有些參數(shù)難以確定，并且這種方法只針對(duì)的是半物理仿真系統(tǒng)，而不適用于全物理仿真系統(tǒng)。
[0008]上述幾種方法中，有的只適用于武器系統(tǒng)效能評(píng)估，有的僅僅分析了仿真系統(tǒng)中的部分干擾。經(jīng)過文獻(xiàn)檢索，發(fā)現(xiàn)目前還沒有一種能夠系統(tǒng)的分析飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)效能評(píng)估的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]基于以上不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)效能評(píng)估方法，根據(jù)仿真系統(tǒng)可信度理論，研究動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)的可信度，綜合計(jì)算得到飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)的整體可信度，對(duì)飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)的效能進(jìn)行評(píng)估。
[0010]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:首先根據(jù)系統(tǒng)功能原理選擇相似元，然后確定各相似元的數(shù)值和權(quán)系數(shù)，最后計(jì)算仿真系統(tǒng)的相似度。具體步驟如下:
[0011]第I步:選擇相似元
[0012]飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)和GNC控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成，因此，評(píng)價(jià)地面仿真系統(tǒng)與實(shí)際空間飛行器運(yùn)行狀況的相似度，通過這四個(gè)分系統(tǒng)與空間飛行器實(shí)際工作情況的相似程度來確定，所以選擇這四個(gè)分系統(tǒng)與實(shí)際情況的相似程度作為相似元；
[0013]第2步:確定相似元的值
[0014](2.1)、運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)
[0015]運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)能夠完成X、Y、Z三個(gè)平動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)和俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)與空間飛行器實(shí)際工作情況的相似程度通過運(yùn)動(dòng)模擬器的運(yùn)行精度參數(shù)確定；
[0016]仿真縮比值為K，運(yùn)動(dòng)模擬器的位置精度為Jl、速度精度J2、動(dòng)態(tài)精度J3，實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過程也會(huì)產(chǎn)生偏差，如果實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)偏差大于地面仿真系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模擬器的偏差值，則認(rèn)為運(yùn)動(dòng)模擬器能夠完全模擬實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，即相似元為1，在不知道實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)偏差值的情況下，設(shè)實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)完全按理論值運(yùn)動(dòng)，則運(yùn)動(dòng)模擬器相對(duì)實(shí)際衛(wèi)星最大偏差取為J1、J2和J3中的最大值，相似元的值為Q1 = 1-max {J1、J2、J3}，其中max 表示取最大值；
[0017](2.2)、測(cè)量系統(tǒng)
[0018]對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)Wc和Fe分別表示實(shí)際飛行器測(cè)量系統(tǒng)的誤差和仿真系統(tǒng)的測(cè)量誤差，并且仿真縮比為K，如果滿足KXFc ( Wc，認(rèn)為地面測(cè)量系統(tǒng)能夠完全模擬衛(wèi)星測(cè)量系統(tǒng)，則相似元定為I;否則按照公式

【權(quán)利要求】
1.一種飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)效能評(píng)估方法，先根據(jù)系統(tǒng)功能原理選擇相似元，然后確定各相似元的數(shù)值和權(quán)系數(shù)，最后計(jì)算仿真系統(tǒng)的相似度，其特征在于，具體步驟如下: 第I步:選擇相似元 飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制地面仿真系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)和GNC控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成，因此，評(píng)價(jià)地面仿真系統(tǒng)與實(shí)際空間飛行器運(yùn)行狀況的相似度，通過這四個(gè)分系統(tǒng)與空間飛行器實(shí)際工作情況的相似程度來確定，所以選擇這四個(gè)分系統(tǒng)與實(shí)際情況的相似程度作為相似元； 第2步:確定相似元的值 (2.1)、運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)能夠完成X、Y、Z三個(gè)平動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)和俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)與空間飛行器實(shí)際工作情況的相似程度通過運(yùn)動(dòng)模擬器的運(yùn)行精度參數(shù)確定； 仿真縮比值為K，運(yùn)動(dòng)模擬器的位置精度為J1、速度精度J2、動(dòng)態(tài)精度J3，實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過程也會(huì)產(chǎn)生偏差，如果實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)偏差大于地面仿真系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模擬器的偏差值，則認(rèn)為運(yùn)動(dòng)模擬器能夠完全模擬實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，即相似元為1，在不知道實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)偏差值的情況下，設(shè)實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)完全按理論值運(yùn)動(dòng)，則運(yùn)動(dòng)模擬器相對(duì)實(shí)際衛(wèi)星最大偏差取為Jl、J2和J3中的最大值，相似元的值為Q1 = 1-max {Jl、J2、J3}，其中max{...}表示取最大值； (2.2)、測(cè)量系統(tǒng) 對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)Wc和Fe分別表示實(shí)際飛行器測(cè)量系統(tǒng)的誤差和仿真系統(tǒng)的測(cè)量誤差，并且仿真縮比為K，如果滿足KXFc <Wc，認(rèn)為地面測(cè)量系統(tǒng)能夠完全模擬衛(wèi)星測(cè)量系

統(tǒng)，則相似元定為I;否則按照公式
計(jì)算相似元的值；


(2.3)動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng) 仿真時(shí)，動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)對(duì)空間擾動(dòng)力矩進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并進(jìn)行Matlab/Simulink仿真，在RTW下自動(dòng)生成C代碼，并經(jīng)過修改后生成供LabVIEW直接調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫，在LabVIEff RT實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行，對(duì)于這部分相似元值計(jì)算，通過與STK仿真系統(tǒng)仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得到結(jié)果，計(jì)算方法為:
，其中Xd表示動(dòng)力學(xué)計(jì)算出來的 衛(wèi)星的位置和速度，Xstk表示STK計(jì)算出來的衛(wèi)星的位置和速度； (2.3) GNC控制模塊 仿真時(shí)GNC控制模塊采用的制導(dǎo)控制率與航天器實(shí)際采用的控制率相同，故相似元值直接取為Q4 = I ; 第3步:確定權(quán)系數(shù) 根據(jù)系統(tǒng)差別對(duì)仿真結(jié)果的影響程度分析，這四個(gè)系統(tǒng)相似性的重要程度依次為測(cè)量系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)、GNC控制系統(tǒng)，所以它們的權(quán)重影響程度成單調(diào)減關(guān)系，根據(jù)層次分析法得判斷矩陣P:
求出最大特征值λ max = 4.0104 ;一致性指標(biāo)Cl = 0.0035，平均隨機(jī)一致性指數(shù)RI⑷=0.90，于是一致性指標(biāo)CR = CI/RI⑷=0.0039 < 0.1 ;故認(rèn)為判斷矩陣一致性是能夠接受的； 將判斷矩陣P按列歸一化得:
將列元素歸一化后的矩陣按行相加并將列向量歸一化處理，得: β = [β ! β2 β 3 β4]Τ = [0.4959 0.2671 0.1544 0.0826]τ(3-3) 其中β1; β2，β3，@4即為各個(gè)相似元的權(quán)重系數(shù)； 第4步:計(jì)算仿真系統(tǒng)的相似度 由于系統(tǒng)間對(duì)應(yīng)的元素看成相似元，則相似度為: Q = TjPiQl，這樣就得到了仿真系統(tǒng)的相似度Q。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104077490SQ201410326380
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】李莉, 夏紅偉, 劉飛, 馬廣程, 王常虹, 李秋實(shí) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)