基于HLA的临近空间飞行器虚拟飞行试验方法

摘　要：临近空间飞行器具有重要政治、经济价值，与传统航天飞行器不同，无法进行全程、全飞行走廊的真实飞行试验，其总体性能分析与验证只能基于仿真建模与仿真支撑技术进行虚拟飞行试验，并对飞行过程中控制、气动、结构、飞行器运动学与动力学等多个学科、多物理场的耦合特性进行描述。根据临近空间高超声速飞行器研制的实际需求，开发了一个基于HLA的临近空间飞行器虚拟试验平台，并提出了全程、全飞行走廊的虚拟飞行试验方法，重点介绍了所开发的软件平台体系、虚拟试验异构模型集成方法、协同仿真运行流程和基于此软件平台进行虚拟飞行试验的方法，为实现临近空间飞行器的总体设计与评估提供了可靠、实用的验证途径。

关键词：临近空间飞行器；虚拟试验；高层体系结构；多物理场耦合；异构仿真模型
引言i
　　临近空间（Near space）通常是指20～100km的高空，由于技术和认识上的原因，临近空间的政治、经济和军事价值直到最近才引起各国的重视，并成为美国、俄罗斯、欧洲等国家和地区近期飞行器技术研究的热点。与其他飞行器不同，临近空间飞行器高速在相当高度的大气层内飞行，各物理场耦合作用特性较强。
　　临近空间飞行器具有重要政治、经济价值，是一类典型的复杂产品,其研究虽然刚刚起步，但对于我国航天、航空领域建设具有重要意义和深远影响，也是未来几十年内最重要的航天、航空飞行器研究之一。受政治、经济等方面因素的影响，临近空间飞行器的飞行试验不能进行全程验证，难以全面评估飞行性能。虚拟飞行试验在一定的精度下，能够替代真实试验对临近空间飞行器进行性能分析，对真实飞行试验进行预示，并指导方案设计。从而为提升系统的总体设计水平，提高飞行试验成功率，缩短研制周期，降低研制成本和风险等提供技术保障。
　　与传统航天航空飞行器系统研究中主要进行基于HLA的航天航空体系仿真及导航、制导与控制闭路的协同仿真不同，临近空间飞行器需要开展多学科、全系统、多物理场耦合过程的协同仿真研究。学科领域的仿真，功能结构复杂，技术含量高，领域间存在着大量的耦合与交互关系，其中一些涉及领域间交互的复杂仿真问题需要多个学科领域的仿真模型、软件相互协作共同完成。协同仿真不需要拆散一个系统，应保持其全貌，使得对系统的分析、设计和评价过程尽可能地接近人们认识系统的方法和习惯；使得分析、设计、实现系统的方法学（原理）与人们认识客观世界的过程尽可能一致。
　　本文结合临近空间飞行器的各领域模型研究成果，开发了一套能够综合考虑各学科子系统多场耦合作用的跨学科领域的协同建模与仿真的平台，实现基于HLA的临近空间高超声速虚拟飞行仿真试验，为系统总体性能分析与验证提供有效的技术途径。
1临近空间飞行器虚拟试验系统
　　如图1所示，本文开发的临近空间飞行器虚拟试验软件系统针对结构、强度、控制系统、载荷、热环境、气动力等几个领域的模型，提供其与协同仿真支撑环境相链接的高层模型转换方法来建立起联邦对象模型，并结合上述模型仿真计算所基于的ABAQUS、MSC、ANSYS、MATLAB/SIMULINK、FORTRAN等计算工具研制的仿真软件，并提供仿真适配器与领域模型仿真工具的联结，提供各组成邦员之间数据交换的约定，统一各邦员之间可见的仿真对象及属性，定义交互类，按照对象模型模版格式创建，描述邦员间互操作的约定。


图1  临近空间飞行器虚拟试验系统及异构仿真模型集成方法
　　各领域仿真模型与应用软件通过异构仿真模型的协同集成软件系统与仿真运行平台相链接。协同集成软件系统与仿真运行平台均按照高层体系结构（High Level Architecture, HLA）接口规范建立的，是HLA协同仿真系统进行分层管理控制的工具，也是进行临近空间仿真技术研究的立足点。HLA期望通过提供一个采用标准的方法解决联邦模式仿真中存在的固有问题，支持对应用系统的即插即用；支持对未来新技术的充分兼容与应用；支持对不同仿真应用的重用，实现联邦的快速组合与重新配置；支持用户协同地开发复杂仿真应用系统，并最终降低开发新应用系统的成本和时间。基于HLA的软总线式协同仿真模式克服了其它协同仿真模式的不足，在开放性、灵活性和通用性上都具有很大的优势。
2 协同仿真运行平台
　　为便于描述飞行器系统仿真内部逻辑，明确多学科协同仿真运行平台的规划、设计、实施和运行，并提供一个完整通用的参考结构，需要首先从系统的角度对其进行分析和描述。如图2所示的仿真运行框架中，三层体系结构将数据、服务与应用分离开来，便于各种应用软件，包括商用仿真软件的集成，保证了整个系统的灵活性和开放性。
　　仿真运行服务主要需解决：互操作问题，如何由最高层的应用互操作映射到最底层的网络互操作，以保证整个运行过程的可行性；时间同步问题，如何保证多学科协同仿真系统能够正确的顺利的向前推进，并提供相应的容错机制；运行管理问题，如何实现对协同仿真运行过程进行有效的监视和控制，以增强整个系统的可操作性，实现系统调试、自动优化、用户交互等复杂操作。

图2  虚拟飞行仿真运行平台
　　协同仿真运行管理器符合HLA1516标准规范，从整体角度对协同仿真系统进行运行管理，包括仿真运行支撑软件的启动/停止，协同仿真联邦的创建/撤销、仿真进程的启动/暂停/恢复/完成等等。协同仿真运行管理器基于交互类通信机制，对协同仿真系统的运行过程进行管理。主要用户界面。仿真运行监控器提供对联邦成员的行为的实时监控功能，实现仿真过程的可视化并反馈给网络中的各个设计节点，使得仿真过程更加直观，实时显示仿真联邦的状态，便于用户进行监视，与仿真运行管理器共同通过相应的权限管理机制来保证系统的安全性。
　　仿真运行服务集的核心是仿真引擎，动态载入不同仿真任务相关的仿真模型后，形成相应的仿真应用系统，实现系统行为调度的形式化和可视化。支持模型的直接连接与快速运行，非编译模式构建系统。仿真引擎基于有限状态机算法实现了系统对模型行为的形式化调度。
3 虚拟飞行试验
　　基于本文虚拟试验软件平台进行临近空间飞行器虚拟飞行试验过程如图3所示。

　　图3 飞行段每帧的仿真时序和数据流
　　在全系统的协同仿真试验阶段，所有的模型都参与了仿真试验，能够充分反映临近空间飞行器飞行过程 中各学科的相互耦合关系，能够完成全程虚拟飞行，具备实现验证总体参数的合理性，验证各学科模型与虚拟试验系统的匹配性，对真实飞行试验进行预示，并指导飞行决策和飞行试验方案设计。
4 结论
　　与传统航天飞行器系统不同，临近空间飞行器全程飞行的总体性能分析与验证问题非常复杂，进行各相关学科、领域的一体化协同仿真来完成虚拟飞行试验是必要的途径。本文开发了基于HLA的临近空间飞行器虚拟试验系统软件并建立了虚拟飞行试验方法，基于协同仿真适配器和高层模型转换算法提出实现异构模型协同集成的技术，介绍了所提出体系中仿真运行平台和支撑平台的构建方法，所提虚拟飞行试验方法既可体现该复杂系统的整体性，又有效地重用了现有的信息资源，完成临近空间飞行器全程飞行的总体性能验证，符合目前尖端飞行器系统虚拟验证的发展趋势。
参考文献：
. Proceedings of the Workshop on Principles of Advanced and Distributed Simulation, 2006