合成環(huán)境下飛行器總體性能虛擬試驗驗證系統(tǒng)及方法
【專利摘要】合成環(huán)境下飛行器總體性能虛擬試驗驗證系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括飛行器運動與控制模擬單元、環(huán)境與對象交互接口單元、合成環(huán)境生成單元以及紅外導引模擬器；本發(fā)明克服了克服現(xiàn)有飛行器試驗技術的不足，開發(fā)了一款合成環(huán)境下飛行器總體性能虛擬試驗驗證系統(tǒng)，解決了飛行器飛行試驗中驗證周期長、成本高、樣本少以及數(shù)學仿真試驗中精度低的問題，實現(xiàn)了大氣和光學等合成環(huán)境下對飛行器探測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的虛擬試驗，為武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評估提供支持。
【專利說明】合成環(huán)境下飛行器總體性能虛擬試驗驗證系統(tǒng)及方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在大氣、紅外、電磁等合成環(huán)境下對飛行器探測系統(tǒng)與控制系統(tǒng) 進行虛擬試驗，從而驗證飛行器總體性能的系統(tǒng)，屬于虛擬試驗【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 隨著飛行器探測系統(tǒng)與制導控制系統(tǒng)的發(fā)展，其機動、探測、制導以及控制性能與 大氣、電磁、光學等合成環(huán)境因素的耦合越發(fā)緊密。傳統(tǒng)飛行試驗，驗證周期長、成本高、樣 本少。數(shù)學仿真模型精度低，無法準確對飛行器總體性能進行驗證。合成環(huán)境下飛行器總 體性能虛擬試驗驗證系統(tǒng)以精確、標準化的合成環(huán)境數(shù)據(jù)為支撐，以VITA中間件為通訊平 臺，將細粒度的半實物仿真和傳統(tǒng)的數(shù)學仿真相結(jié)合，構(gòu)建一套合成環(huán)境下飛行器總體性 能虛擬試驗驗證系統(tǒng)，充分驗證合成環(huán)境下飛行器綜合的探測、制導與控制性能，從而提高 飛行器總體性能試驗驗證的精度，縮短研制周期，降低飛行試驗成本。
[0003] 目前，從國內(nèi)外綜合試驗驗證技術應用現(xiàn)狀分析中可以看出，新一代飛行器的研 制周期短，對總體性能的要求高，系統(tǒng)與環(huán)境的耦合度高，這對飛行器研制模式和方案驗證 的手段提出了新挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)對飛行器總體性能的驗證主要有兩種方式，在產(chǎn)品研制初期進 行的全數(shù)字仿真試驗和研制末期開展的真實飛行試驗。傳統(tǒng)數(shù)學仿真試驗，多采用數(shù)學建 模的方式，往往存在全機復雜模型難以建立，簡化數(shù)學模型可信度低，仿真試驗缺少環(huán)境因 素影響的問題。傳統(tǒng)實際飛行試驗，對總體性能的測試試驗周期長、成本高、樣本少，無法滿 足飛行器新的設計和試驗需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明技術解決問題：克服現(xiàn)有飛行器試驗技術的不足，提供一種合成環(huán)境下飛 行器總體性能虛擬試驗驗證系統(tǒng)，解決了飛行器飛行試驗中驗證周期長、成本高、樣本少以 及數(shù)學仿真試驗中精度低的問題，為武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評估提供支持。
[0005] 本發(fā)明技術解決方案如下：合成環(huán)境下飛行器總體性能虛擬試驗驗證系統(tǒng)，包括 飛行器運動與控制模擬單元、環(huán)境與對象交互接口單元、合成環(huán)境生成單元以及紅外導引 模擬器；
[0006] 合成環(huán)境生成單元根據(jù)待仿真任務完成大氣和紅外特性建模，即建立大氣模型、 場景和目標的紅外特性模型；對建立的場景和目標的紅外特性模型進行大氣熱傳輸效應計 算以及場景和目標熱輻射計算，產(chǎn)生紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，發(fā)送給環(huán)境與對象交互接口單元； 讀取大氣模型生成的不同高度下的大氣數(shù)據(jù)，將大氣數(shù)據(jù)發(fā)送至環(huán)境與對象交互接口單 元；
[0007] 環(huán)境與對象交互接口單元接收合成環(huán)境生成單元發(fā)送來的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)和 大氣數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為合成環(huán)境數(shù)據(jù)Sedris標準格式；根據(jù)實際需要，通過界面配置的形式設 定環(huán)境與對象交互接口單元和紅外導引模擬器以及飛行器運動與控制模擬單元之間的環(huán) 境數(shù)據(jù)通信協(xié)議，將轉(zhuǎn)換成Sedris標準格式的紅外圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給紅外導引模擬器，將轉(zhuǎn) 換成Sedris標準格式的大氣數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行器運動與控制模擬單元；
[0008] 紅外導引模擬器接收環(huán)境與對象交互接口單元發(fā)送的Sedris標準格式的紅外圖 像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像識別，得到目標特征點信息，后對圖像數(shù)據(jù)進行濾波、放大，檢出處理， 得到飛行器和目標特征點之間的位置、速度圖像信息，并發(fā)送至飛行器運動與控制模擬單 元；
[0009] 飛行器運動與控制模擬單元接收環(huán)境與對象交互接口單元發(fā)送來的大氣數(shù)據(jù)，完 成動力系統(tǒng)特性計算，生成發(fā)動機推力數(shù)據(jù)；根據(jù)接收的紅外導引模擬器發(fā)送的飛行器和 探測目標之間的位置、速度圖像信息和測得的飛行器慣性信息，計算生成飛行器控制指令， 并根據(jù)該控制指令得到飛行器噴管的偏轉(zhuǎn)角度，進而結(jié)合計算得到的發(fā)動機推力數(shù)據(jù)，得 到飛行器六自由度位置與速度信息。
[0010] 所述的環(huán)境與對象交互接口單元包括標準環(huán)境接口和標準對象接口；所述的標準 環(huán)境接口將合成環(huán)境生成單元發(fā)送來的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)和大氣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合成環(huán)境數(shù) 據(jù)Sedris標準格式，并緩存到數(shù)據(jù)緩存區(qū)域；
[0011] 所述的標準對象接口包括對象接口配置模塊、標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)和對象模 型通訊協(xié)議匹配與解析模塊；
[0012] 對象接口配置模塊定義標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)的大小、內(nèi)存地址、以及標準環(huán)境 接口中標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的地址，將上述定義參數(shù)發(fā)送給標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)；定 義對象模型通訊協(xié)議匹配與解析模塊和對象模型之間的通訊協(xié)議，通訊協(xié)議具體包括數(shù)據(jù) 長度、啟始字節(jié)、設備地址、發(fā)送周期以及校驗位，并將定義的通訊協(xié)議發(fā)送給對象模型通 訊協(xié)議匹配與解析模塊；所述的對象模型包括紅外導引模擬器與飛行器運動與控制模擬單 元；
[0013] 標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)根據(jù)接收的定義參數(shù)在計算機內(nèi)存區(qū)域中定義一塊標準 Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)，在仿真試驗階段，按照標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的地址參數(shù)，實時讀取 標準環(huán)境接口中數(shù)據(jù)緩存區(qū)的標準環(huán)境數(shù)據(jù)到標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)；
[0014] 對象模型通訊協(xié)議匹配與解析模塊接收通訊協(xié)議參數(shù)，在仿真試驗階段接收標準 Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)發(fā)送來的標準環(huán)境數(shù)據(jù)，調(diào)用Windows系統(tǒng)中的timer定時器函數(shù)，采 用C++中的循環(huán)結(jié)構(gòu)體，按照通訊協(xié)議，將標準環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給對象模型，即標準紅外數(shù)據(jù) 發(fā)送給紅外導引模擬器，標準大氣數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行器運動與控制模擬單元。
[0015] 合成環(huán)境下飛行器總體性能虛擬試驗驗證方法，步驟如下：
[0016] (1)進行仿真初始化配置：根據(jù)待仿真任務，設置待仿真需要的大氣數(shù)據(jù)的區(qū)域 及高度參數(shù)；建立場景和目標的紅外特性模型；定義Sedris轉(zhuǎn)換的源環(huán)境數(shù)據(jù)的格式以及 標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的大小、內(nèi)存地址、以及標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)的地址；定義標準 Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)的大小、內(nèi)存地址、以及標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的地址；定義通訊協(xié)議 的數(shù)據(jù)長度、啟始字節(jié)、設備地址、發(fā)送周期以及校驗位；
[0017] (2)根據(jù)步驟（1)中的初始化配置，在計算機內(nèi)存區(qū)域中生成一塊標準Sedris數(shù) 據(jù)緩存區(qū)以及一塊標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)；
[0018] (3)根據(jù)步驟（1)中的初始化配置，生成設定區(qū)域、高度下大氣的溫度、壓力和密 度數(shù)據(jù)，統(tǒng)稱大氣數(shù)據(jù)；并根據(jù)建立的場景和目標的紅外特性模型，計算得到不同譜段下的 紅外輻射圖像數(shù)據(jù)；
[0019] (4)將步驟（3)中生成的大氣數(shù)據(jù)和紅外輻射圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準Sedris格式并 存儲到步驟（2)生成的標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)中；
[0020] (5)標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送至標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)，在標準 Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)調(diào)用Windows系統(tǒng)中的timer定時器函數(shù)，采用C++中的循環(huán)結(jié)構(gòu)體，按 照步驟（1)中定義的通訊協(xié)議，將接收的數(shù)據(jù)進行傳輸；
[0021] (6)提取傳輸大氣數(shù)據(jù)中的壓力信息，實時生成發(fā)動機推力數(shù)據(jù)；同時對傳輸?shù)?紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像識別，得到目標特征點信息，后對圖像數(shù)據(jù)進行濾波、放大， 檢出處理，得到飛行器和目標特征點之間的位置、速度圖像信息；
[0022] (7)利用慣性測量器件測量飛行器的慣性信息以及飛行器和目標特征點之間的位 置、速度圖像信息，得到飛行控制指令，進而得到噴管擺角；
[0023] (8)利用得到的噴管擺角以及發(fā)動機推力數(shù)據(jù)得到飛行器六自由度位置與速度信 息，本仿真周期結(jié)束；
[0024] (9)進入下一仿真周期，重復步驟（2)?（9)，直至仿真結(jié)束。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果：
[0026] (1)本發(fā)明將數(shù)字模型、半實物系統(tǒng)與環(huán)境數(shù)據(jù)相結(jié)合，提高了環(huán)境因素影響下， 飛行器總體性能仿真與試驗的精度與可信度，縮短了試驗周期，降低了試驗成本；
[0027] (2)本發(fā)明通過環(huán)境與對象交互接口單元，實現(xiàn)了標準環(huán)境模型與參數(shù)化對象模 型之間的環(huán)境數(shù)據(jù)交互。
[0028] (3)本發(fā)明采用一體化的試驗平臺，實現(xiàn)了大氣、紅外2種環(huán)境下飛行器總體性能 虛擬試驗驗證的試驗方法和試驗流程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)組成框圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明紅外特性計算流程圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明環(huán)境與對象交互接口單元組成框圖。

【具體實施方式】
[0032] 本系統(tǒng)的總體架構(gòu)是基于VITA/中間件的分布式仿真試驗平臺，如圖1所示，包 括飛行器運動與控制模擬單元、環(huán)境與對象交互接口單元、合成環(huán)境生成單元以及紅外導 引模擬器組成；合成環(huán)境生成單元根據(jù)待仿真任務完成大氣和紅外特性建模，即建立大氣 模型、場景和目標紅外特性模型；對建立的場景和目標的紅外特性模型進行大氣熱傳輸效 應計算以及場景和目標熱輻射計算，產(chǎn)生紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，發(fā)送給環(huán)境與對象交互接口 單元；讀取大氣模型生成的不同高度下的大氣數(shù)據(jù)，將大氣數(shù)據(jù)發(fā)送至環(huán)境與對象交互接 口單元；環(huán)境與對象交互接口單元接收合成環(huán)境生成單元發(fā)送來的紅外圖像數(shù)據(jù)和大氣數(shù) 據(jù)，轉(zhuǎn)換為合成環(huán)境數(shù)據(jù)Sedris標準格式；根據(jù)實際需要，通過界面配置的形式設定環(huán)境 與對象交互接口單元和紅外導引模擬器以及飛行器運動與控制模擬單元之間的環(huán)境數(shù)據(jù) 通信協(xié)議，將轉(zhuǎn)換成Sedris標準格式的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給紅外導引模擬器，將轉(zhuǎn)換 成Sedris標準格式的大氣數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行器運動與控制模擬單元；紅外導引模擬器接收 環(huán)境與對象交互接口單元發(fā)送的Sedris標準格式的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像識別，得 到目標特征點信息，后對圖像數(shù)據(jù)進行濾波、放大，檢出處理，得到飛行器和目標特征點之 間的位置、速度圖像信息，并發(fā)送至飛行器運動與控制模擬單元；飛行器運動與控制模擬單 元接收環(huán)境與對象交互接口單元發(fā)送來的大氣數(shù)據(jù)，完成動力系統(tǒng)特性計算，生成發(fā)動機 推力數(shù)據(jù)；接收紅外導引模擬器發(fā)送的飛行器和探測目標之間的位置、速度信息和測得的 飛行器慣性信息，計算生成飛行器控制指令，并根據(jù)該控制指令得到飛行器噴管的偏轉(zhuǎn)角 度，進而結(jié)合計算得到的發(fā)動機推力數(shù)據(jù)，得到飛行器六自由度位置與速度信息。每部分的 具體說明和系統(tǒng)仿真試驗流程如下：
[0033](一）合成環(huán)境生成單元
[0034] 合成環(huán)境生成單元包括材質(zhì)分類子模塊、紅外特性計算模塊和大氣數(shù)據(jù)生成模 塊；
[0035] 1、材質(zhì)分類子模塊
[0036] 材質(zhì)分類子模塊主要完成場景和目標的紅外特性模型的建立。場景和目標的紅外 特性模型的建立具體為：
[0037] (1)獲取場景和目標的衛(wèi)星影像圖或者航拍圖像或者目標紋理貼圖，作為材質(zhì)分 類的輸入；
[0038] (2)對輸入的貼圖或者圖片進行圖像分析，在圖像或者貼圖上將具有相同材料屬 性的物質(zhì)（例如海洋、湖波、河流等）劃歸為一類，并在圖像或者貼圖上用折線將相應的圖 像區(qū)域劃出，將不同材質(zhì)屬性物體的圖像信息進行分類存儲，從而分別形成多個材質(zhì)掩膜 文件；
[0039] (3)結(jié)合圖像掩膜文件以及紅外材質(zhì)庫的信息，對于不同的材質(zhì)分類，生成不同的 材質(zhì)編碼文件（MCM)和材質(zhì)系統(tǒng)文件（.ms)用于場景和目標紅外特性的計算；材質(zhì)編碼文 件和材質(zhì)系統(tǒng)文件統(tǒng)稱為場景和目標的紅外特性模型。
[0040] 紅外材質(zhì)庫包括200多種紅外材質(zhì)文件，每個材質(zhì)文件顯示了所指定材質(zhì)在不同 溫度下短波吸收率和長波吸收率，目前為商用產(chǎn)品能夠購買。
[0041] 2、大氣數(shù)據(jù)生成模塊
[0042] 大氣數(shù)據(jù)生成模塊獲取NRLMSISE-00三維參考大氣模型中的大氣源數(shù)據(jù)，將大氣 源數(shù)據(jù)進行時間和坐標系的轉(zhuǎn)換得到以經(jīng)緯度為單位的不同高度下的大氣數(shù)據(jù)；
[0043] (1)選取公開的NRLMSISE-00三維參考大氣模型，調(diào)用SEDRIS標準的支 持庫，利用該支持庫中的 gtd7 (struct nrlmsise_input*input, struct nrlmsise_ flags*flags，struct nrlmsise_output*output)接口函數(shù)直接獲取上述三維參考大氣模 型中的大氣源數(shù)據(jù)；
[0044] (2)采用C/C++語言基本運行庫中時間管理和計算支持功能的mktime和gmtime 函數(shù)，將大氣源數(shù)據(jù)以秒為單位的時間格式（使用型表示）轉(zhuǎn)換為，SEDRIS中 YYYYMMDDHHMMSS格式的時間表示（使用SE_Time_Value類型表示）；
[0045] (3)將大氣源數(shù)據(jù)進行時間和坐標系的轉(zhuǎn)換得到以經(jīng)緯度為單位的不同高度下的 大氣數(shù)據(jù)。
[0046] 為了提高分辨率，將步驟（3)中的大氣數(shù)據(jù)利用線性插值的方式得到精度更高的 數(shù)據(jù)，將生成的大氣數(shù)據(jù)輸出給飛行器運動與控制模擬單元。
[0047] 3、紅外特性計算模塊
[0048] 如圖2,紅外特性計算模塊主要完成紅外粒子特效計算（例如火焰、尾煙以及煙霧 等）和場景和目標紅外特性計算。場景和目標紅外特性計算利用第三方軟件Modtran4. 0實 現(xiàn)，具體步驟為：首先，利用Modtran4. OAPI建立大氣模型；使用Modtran⑶I建立大氣模型 的配置，并將配置保存為mcd文件；解析mcd文件到大氣配置結(jié)構(gòu)體中，在Modtran4. OAPI 中的ssEnvironment類中，定義了相關的結(jié)構(gòu)體和枚舉類型，從而對應mcd中的大氣福 射衰減因子；利用Modtran4. OAPI中的ssSensor傳感器結(jié)構(gòu)體設置紅外傳感器的波長， Altitude結(jié)構(gòu)體設置傳感器的高度；根據(jù)傳感器參數(shù)（ssSensor傳感器結(jié)構(gòu)體包含）、目標 高度，傳感器與目標的距離，利用Modtran4. OAPI計算大氣的透過率、大氣路徑輻射、大氣 散射輻射，得到不同譜段下的紅外輻射數(shù)據(jù)；將計算結(jié)果輸出給飛行器運動與控制模擬單 J Li 〇
[0049] (二）環(huán)境與對象交互接口單元
[0050] 如圖3,環(huán)境與對象交互接口單元主要包括標準環(huán)境接口和標準對象接口兩部分， 主要接收合成環(huán)境生成單元發(fā)送來的大氣與紅外環(huán)境數(shù)據(jù)，完成環(huán)境數(shù)據(jù)Sedris標準轉(zhuǎn) 換以及環(huán)境模型與對象模型通訊協(xié)議匹配，將標準環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給對象模型，即標準紅外 數(shù)據(jù)發(fā)送給紅外導引模擬器，標準大氣數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行器運動與控制模擬單元。
[0051] 1、標準環(huán)境接口
[0052] 標準環(huán)境接口包括環(huán)境接口配置模塊、Sedris數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與解析模塊以及標準 Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)，主要將合成環(huán)境生成單元發(fā)送來的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)和大氣數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn) 換為合成環(huán)境數(shù)據(jù)Sedris標準格式，并緩存到數(shù)據(jù)緩存區(qū)域。數(shù)據(jù)標準化過程如下：
[0053] (1)在系統(tǒng)初始化配置階段，利用環(huán)境接口配置模塊對標準環(huán)境接口進行配置。配 置采用.xml文件形式，在文件中定義Sedris數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與解析模塊要進行標準Sedris轉(zhuǎn) 換的源環(huán)境數(shù)據(jù)的格式，如是紅外數(shù)據(jù)與對象模型交互在.xml文件中定義" fpf to stf " 模式，如是大氣數(shù)據(jù)與對象模型交互在在.xml文件中定義" gards to stf "模式，定義參 數(shù)發(fā)送給Sedris數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與解析模塊；在文件中定義標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的大?。ɡ?200M)、其內(nèi)存地址（例0X1000)、以及標準對象接口中標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)的地址（例 0X2000)，定義參數(shù)發(fā)送給Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)；
[0054] (2) Sedris數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與解析模塊在初始化配置階段接收環(huán)境接口配置模塊發(fā)送 來的環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式參數(shù)以及在系統(tǒng)仿真試驗階段合成環(huán)境生成單元發(fā)實時送來的大 氣數(shù)據(jù)與紅外輻射圖像數(shù)據(jù)（統(tǒng)稱環(huán)境數(shù)據(jù)），將環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Sedris標準格式，并 發(fā)送到標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)，環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法可參照專利"多譜段合成環(huán)境模擬系 統(tǒng)"（ZL201310525248. 5)中合成環(huán)境數(shù)據(jù)Sedris標準化單元對合成環(huán)境數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換的 步驟；
[0055] (3)標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)在系統(tǒng)初始化配置階段接收環(huán)境接口配置模塊發(fā)送 來的接口配置參數(shù)，在計算機內(nèi)存區(qū)域中定義一塊配置參數(shù)中定義的特定大小、特定地址 的標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)。在仿真試驗階段，實時接收Sedris數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與解析模塊發(fā)送 來的標準Sedris環(huán)境數(shù)據(jù)，在標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)存儲，并根據(jù)配置參數(shù)中標準對象接 口中標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)的地址，發(fā)送到標準對象接口中標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)。
[0056] 2、標準對象接口
[0057] 標準對象接口包括對象接口配置模塊、對象模型通訊協(xié)議匹配與解析模塊、以及 標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)，主要將標準環(huán)境接口發(fā)送來的標準Sedris環(huán)境數(shù)據(jù)以定義的通 訊協(xié)議發(fā)送給紅外導引模擬器和飛行器運動與控制模擬單元，其中標準紅外數(shù)據(jù)發(fā)送給紅 外導引模擬器，標準大氣數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行器運動與控制模擬單元。標準環(huán)境數(shù)據(jù)與對象模 型通訊協(xié)議匹配步驟如下：
[0058] (1)在系統(tǒng)初始化配置階段，利用對象接口配置模塊對標準對象接口進行配置。配 置采用.xml文件形式，在文件中定義對象模型通訊協(xié)議匹配與解析模塊和對象模型（包 括紅外導引模擬器與飛行器運動與控制模擬單元）之間的通訊協(xié)議，通訊協(xié)議具體包括數(shù) 據(jù)長度（例16個字節(jié)）、啟始字節(jié)（OXFA)、設備地址（0X01)、發(fā)送周期（IOms)以及校驗位 (CS)，定義參數(shù)發(fā)送給對象模型通訊協(xié)議匹配與解析模塊；在文件中定義標準Sedris數(shù)據(jù) 接收區(qū)的大小（例200M)、其內(nèi)存地址（例0X2000)、以及標準環(huán)境接口中標準Sedris數(shù)據(jù) 緩存區(qū)的地址（例0X1000)，定義參數(shù)發(fā)送給標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)；
[0059] (2)標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)在系統(tǒng)初始化配置階段接收對象接口配置模塊發(fā)送 來的接口配置參數(shù)，在計算機內(nèi)存區(qū)域中定義一塊配置參數(shù)中定義的特定大小、特定地址 的標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)。在仿真試驗階段，按照標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的地址參數(shù)，實 時讀取Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的標準環(huán)境數(shù)據(jù)到標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)；
[0060] (3)對象模型通訊協(xié)議匹配與解析模塊在初始化配置階段接收對象接口配置模塊 發(fā)送來的通訊協(xié)議參數(shù)，在仿真試驗階段接收標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)發(fā)送來的標準環(huán)境 數(shù)據(jù)，調(diào)用Windows系統(tǒng)中的timer定時器函數(shù)，采用C++中的循環(huán)結(jié)構(gòu)體，按照通訊協(xié)議， 將標準環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給對象模型，即標準紅外數(shù)據(jù)發(fā)送給紅外導引模擬器，標準大氣數(shù)據(jù) 發(fā)送給飛行器運動與控制模擬單元。
[0061] 3、紅外導引模擬器
[0062] 紅外導引模擬器由紅外數(shù)據(jù)接收接口、圖像識別模塊以及圖像濾波與檢出模塊組 成，主要接收環(huán)境與對象交互接口單元發(fā)送的Sedris標準格式的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過 圖像處理識別和處理后，得到飛行器和目標之間的位置、速度誤差，并將位置和速度誤差發(fā) 送至飛行器運動與控制模擬單元。
[0063] 紅外導引模擬器紅外數(shù)據(jù)接收接口主要采用DVI硬件數(shù)字接口，接口通訊協(xié)議與 環(huán)境與對象交互接口中對象接口配置模塊中設置的通訊協(xié)議相匹配；圖像識別模塊主要采 用相關法和投影法；圖像濾波與檢出模塊采用分布式處理機結(jié)構(gòu)處理圖像信息。
[0064] 紅外導引模擬器目前為商用試驗產(chǎn)品，能夠訂制、購買。
[0065](四）飛行器運動與控制模擬單元
[0066] 飛行器運動與控制模擬單元由慣性測量器件數(shù)學模塊、飛行控制計算模塊、動力 系統(tǒng)計算模塊、伺服系統(tǒng)模擬模塊和動力學與運動學特性仿真模塊組成，主要是接收環(huán)境 與對象交互接口單元發(fā)送來的大氣數(shù)據(jù)以及紅外導引模擬器發(fā)送來的飛行器和目標特征 點之間的位置、速度信息，結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)得到飛行器六自由度位置與速度信息，具體實現(xiàn)步 驟如下：
[0067] 飛行器運動與控制模擬單元接收環(huán)境與對象交互接口單元發(fā)送來的大氣數(shù)據(jù)，完 成動力系統(tǒng)特性計算，生成發(fā)動機推力數(shù)據(jù)；接收紅外導引模擬器發(fā)送的飛行器和探測目 標之間的位置、速度信息和測得的飛行器慣性信息，計算生成飛行器控制指令，并根據(jù)該控 制指令得到飛行器噴管的偏轉(zhuǎn)角度，進而結(jié)合計算得到的發(fā)動機推力數(shù)據(jù)，得到飛行器六 自由度位置與速度信息。
[0068] (1)飛行器運動與控制模擬單元接收環(huán)境與對象交互接口單元發(fā)送來的大氣數(shù) 據(jù)，發(fā)送給動力系統(tǒng)計算模塊，提取大氣數(shù)據(jù)中的壓力信息Pa,按照發(fā)動機推力基本公式進 行計算，實時得到發(fā)動機的推力數(shù)據(jù)，發(fā)送給動力學與運動學特性仿真模塊，推力基本公式 如下所示：
[0069] F 二 F1 + F2 二 M-Ut,)+ A人- p")
[0070] 式中：F-發(fā)動機推力
[0071] F1-氣流對發(fā)動機壁的作用力
[0072] F2-發(fā)動機外壁上的大氣壓強產(chǎn)生的合力
[0073] Ae-噴管出口截面積
[0074] pe-噴管出口壓強
[0075] A -噴管的流量質(zhì)量
[0076] ue-噴氣速度
[0077] Pa-發(fā)動機外壁上的大氣壓強
[0078] (2)慣性測量器件數(shù)學模塊模擬慣性測量器件的功能，實時輸出飛行器在彈體坐 標系（OX1Y1Z1)下的角速度〇 xl、CO yl、（Ozl)和線加速度（U Xl、u yl、Uzl)，發(fā)送至飛行控制 計算模塊；
[0079] (3)飛行控制計算模塊接收紅外導引模擬器發(fā)送的飛行器和探測目標之間的位 置、速度信息和慣性測量器件數(shù)學模塊發(fā)送來的角速度（《xl、《yl、《zl)和線加速度（u xl、 u yl、u zl)信息，采用通用紅外成像相關跟蹤算法，得到飛行控制指令u，并發(fā)送給伺服系統(tǒng) 模擬模塊；
[0080] (4)伺服系統(tǒng)模擬模塊接收來飛行控制計算模塊發(fā)送來的控制指令u，根據(jù)控制 指令與噴管擺角的線性關系e = 為線性常數(shù)），得到噴管擺角0，并發(fā)送給動力學 與運動學特性仿真模塊；
[0081] (5)動力學與運動學特性仿真模塊接收伺服系統(tǒng)模擬模塊發(fā)送來的噴管擺角0 以及動力系統(tǒng)發(fā)送來的來的發(fā)送機推力F，根據(jù)理論力學動量定理，建立通用飛行器質(zhì)心運 動方程，根據(jù)動量矩定理，建立通用飛行器相對質(zhì)心的轉(zhuǎn)動運動方程，得到飛行器新的六自 由度位置（Uxl、Uyl、Uzl)和姿態(tài)（Oxl、O yl、Ozl)信息，通用質(zhì)心運動方程和轉(zhuǎn)動運動方 程如下：
[0082] 質(zhì)心運動方程為：

【權(quán)利要求】
1. 合成環(huán)境下飛行器總體性能虛擬試驗驗證系統(tǒng)，其特征在于：包括飛行器運動與控 制模擬單元、環(huán)境與對象交互接口單元、合成環(huán)境生成單元以及紅外導引模擬器； 合成環(huán)境生成單元根據(jù)待仿真任務完成大氣和紅外特性建模，即建立大氣模型、場景 和目標的紅外特性模型；對建立的場景和目標的紅外特性模型進行大氣熱傳輸效應計算以 及場景和目標熱輻射計算，產(chǎn)生紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，發(fā)送給環(huán)境與對象交互接口單元；讀取 大氣模型生成的不同高度下的大氣數(shù)據(jù)，將大氣數(shù)據(jù)發(fā)送至環(huán)境與對象交互接口單元； 環(huán)境與對象交互接口單元接收合成環(huán)境生成單元發(fā)送來的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)和大氣 數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為合成環(huán)境數(shù)據(jù)Sedris標準格式；根據(jù)實際需要，通過界面配置的形式設定環(huán) 境與對象交互接口單元和紅外導引模擬器以及與飛行器運動與控制模擬單元之間的環(huán)境 數(shù)據(jù)通信協(xié)議，將轉(zhuǎn)換成Sedris標準格式的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給紅外導引模擬器，將 轉(zhuǎn)換成Sedris標準格式的大氣數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行器運動與控制模擬單元； 紅外導引模擬器接收環(huán)境與對象交互接口單元發(fā)送的Sedris標準格式的紅外輻射圖 像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像識別，得到目標特征點信息，后對圖像數(shù)據(jù)進行濾波、放大，檢出處理，得 到飛行器和目標特征點之間的位置、速度信息，并發(fā)送至飛行器運動與控制模擬單元； 飛行器運動與控制模擬單元接收環(huán)境與對象交互接口單元發(fā)送來的大氣數(shù)據(jù)，完成動 力系統(tǒng)特性計算，生成發(fā)動機推力數(shù)據(jù)；根據(jù)接收的紅外導引模擬器發(fā)送來的飛行器和探 測目標之間的位置、速度圖像信息和測得的飛行器慣性信息，計算生成飛行器控制指令，并 根據(jù)該控制指令得到飛行器噴管的偏轉(zhuǎn)角度，進而結(jié)合計算得到的發(fā)動機推力數(shù)據(jù)，得到 飛行器六自由度位置與速度信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成環(huán)境下飛行器總體性能虛擬試驗驗證系統(tǒng)，其特征在 于：所述的環(huán)境與對象交互接口單元包括標準環(huán)境接口和標準對象接口；所述的標準環(huán) 境接口將合成環(huán)境生成單元發(fā)送來的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)和大氣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合成環(huán)境數(shù)據(jù) Sedris標準格式，并緩存到數(shù)據(jù)緩存區(qū)域； 所述的標準對象接口包括對象接口配置模塊、標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)和對象模型通 訊協(xié)議匹配與解析模塊； 對象接口配置模塊定義標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)的大小、內(nèi)存地址、以及標準環(huán)境接口 中標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的地址，將上述定義參數(shù)發(fā)送給標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)；定義 對象模型通訊協(xié)議匹配與解析模塊和對象模型之間的通訊協(xié)議，通訊協(xié)議具體包括數(shù)據(jù)長 度、啟始字節(jié)、設備地址、發(fā)送周期以及校驗位，并將定義的通訊協(xié)議發(fā)送給對象模型通訊 協(xié)議匹配與解析模塊；所述的對象模型包括紅外導引模擬器與飛行器運動與控制模擬單 元； 標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)根據(jù)接收的定義參數(shù)在計算機內(nèi)存區(qū)域中定義一塊標準 Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)，在仿真試驗階段，按照標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的地址參數(shù)，實時讀取 標準環(huán)境接口中數(shù)據(jù)緩存區(qū)的標準環(huán)境數(shù)據(jù)到標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)； 對象模型通訊協(xié)議匹配與解析模塊接收通訊協(xié)議參數(shù)，在仿真試驗階段接收標準 Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)發(fā)送來的標準環(huán)境數(shù)據(jù)，調(diào)用Windows系統(tǒng)中的timer定時器函數(shù)，采 用C++中的循環(huán)結(jié)構(gòu)體，按照通訊協(xié)議，將標準環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給對象模型，即標準紅外數(shù)據(jù) 發(fā)送給紅外導引模擬器，標準大氣數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行器運動與控制模擬單元。
3. 合成環(huán)境下飛行器總體性能虛擬試驗驗證方法，其特征在于步驟如下： (1) 進行仿真初始化配置：根據(jù)待仿真任務，設置待仿真需要的大氣數(shù)據(jù)的區(qū)域及高 度參數(shù)；建立場景和目標的紅外特性模型；定義Sedris轉(zhuǎn)換的源環(huán)境數(shù)據(jù)的格式以及標 準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的大小、內(nèi)存地址、以及標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)的地址；定義標準 Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)的大小、內(nèi)存地址、以及標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)的地址；定義通訊協(xié)議 的數(shù)據(jù)長度、啟始字節(jié)、設備地址、發(fā)送周期以及校驗位； (2) 根據(jù)步驟（1)中的初始化配置，在計算機內(nèi)存區(qū)域中生成一塊標準Sedris數(shù)據(jù)緩 存區(qū)以及一塊標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)； (3) 根據(jù)步驟（1)中的初始化配置，生成設定區(qū)域、高度下大氣的溫度、壓力和密度數(shù) 據(jù)，統(tǒng)稱大氣數(shù)據(jù)；并根據(jù)建立的場景和目標的紅外特性模型，計算得到不同譜段下的紅外 輻射圖像數(shù)據(jù)； (4) 將步驟（3)中生成的大氣數(shù)據(jù)和紅外輻射圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準Sedris格式并存儲 到步驟（2)生成的標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)中； (5) 標準Sedris數(shù)據(jù)緩存區(qū)將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送至標準Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)，在標準 Sedris數(shù)據(jù)接收區(qū)調(diào)用Windows系統(tǒng)中的timer定時器函數(shù)，采用C++中的循環(huán)結(jié)構(gòu)體，按 照步驟（1)中定義的通訊協(xié)議，將接收的數(shù)據(jù)進行傳輸； (6) 提取傳輸大氣數(shù)據(jù)中的壓力信息，實時生成發(fā)動機推力數(shù)據(jù)；同時對傳輸?shù)募t外 輻射圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像識別，得到目標特征點信息，后對圖像數(shù)據(jù)進行濾波、放大，檢出 處理，得到飛行器和目標特征點之間的位置、速度圖像信息； (7) 利用慣性測量器件測量飛行器的慣性信息以及飛行器和目標特征點之間的位置、 速度圖像信息，得到飛行控制指令，進而得到噴管擺角； (8) 利用得到的噴管擺角以及發(fā)動機推力數(shù)據(jù)得到飛行器六自由度位置與速度信息， 本仿真周期結(jié)束； (9) 進入下一仿真周期，重復步驟（2)?（9)，直至仿真結(jié)束。
【文檔編號】G06F9/455GK104391734SQ201410575007
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】李鑫, 褚厚斌, 廖建, 彭健, 郭晶, 蔡斐華, 賈長偉, 張麗曄, 劉維瑋, 趙雯, 賈倩, 郭會章, 張恒 申請人:中國運載火箭技術研究院