（计算机科学与技术专业论文）发射靶场测控中心数字仿真系统研究与设计.pdf

强糖科学技术大学皤究生院学控论文 摘要 当前，各种爨魁的航天器飞行试验任务日益增多，缀常会出现多发任努交错、重叠准 簧与实施戆清援。测控孛心实露数攒楚瑾悉统，塑受黄靛天器飞行试验遥程中羧撵处理、 信息交换的重要使命，是测控中心的核心软件，必须确僳其万无一失。 为了考验羧个数据处理软件系统的实时性、可靠性、容错性，以及与熟它各系统间的 协调性，必须建立适合航天发射靶场现状的数字仿真系统，能在无测量设备提供测量数据 戆揍况下，震软转静方法对骧魏溅黎数据鞋及各秘信息交换内容透季亍仿真，爨貘给溪控孛 心实时数据处璎软件系统避彳亍实时鲶理，模拟出航天器从发射至正常入鞔，躐者航天器在 主动段、自由飞行段及再入段等各阶段的遥测、外测数据及测控设备工作状态，从而调试 和演练测控中心疼时应用软件，使其能够更好地适应实战发射需要。 论文蓄兜分辑了发菇靶场测控系绞体系结构及测控绩患滚程，在我墓确上，禳据实对 任务信惠格式约定对数字仿真系统的数据结构进行定义，设计了较彳牛的总体终构及稿关数 据接口和运行模式；利用相关数学横溅及飞行动力学原理进行仿真计算，得出遥、外测设 备的仿真测量数椭及基地间仿真信，甑，进而设计并实现了备类测控信息及飞行器故障信息 魏仿真模型；最鼹，在嚣控信息仿囊模黧设计基础上，建立模型懿仿真算法绘爨穗应算法搭 述，并霹茯囊绦祭逶毒亍了分析。 靶场测控中心数字仿真系统对于提高测控系统实时廊用软件的可靠性，缩短其研制周 期有重要意义a 通过多次任务检验，该数字仿真系统在实际应用中发挥了明照作用，并取 褥了缀好的效巢。 关键谲：仿囊、灏控中心、航天器、中心计算橇、测控傣怠 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s l r a e t t o d 8 y ，v a r i o u so fs p a c e n i 曲tt o s tt a s k sa r ci n c r e a s i n gv c r yr 印i d l y ，e s p e c i a l l y ，t h et a s k so f l a n c hd i f f e r e n tm o d e l so f m i s s i l e sa l l ds a t t l i t e s m u l t i t a s k sa r eo f e nc a r r y i n go u t ，i nt h i ss i t u a t i o n ， f e 重t i m e 鑫漆i e a 蛀o ns o 曩黼s y s t 懿lo f疆ce e n l e f 法黯e ht e s tr 鑫琏g ei sf 瑟i 狂gag 瑶贰 t r i a l 。f o r a d 印tt o 也e n e e d so f d i f f e r e n tt a s k s ，b e f o rc a 蝌o u t 山en e wt a s k ，w es h o u l dd oa 1 0 t so f s o 南张r em o d m c a t i o n sa n dd e b u g g i n g i nt h ep r o c e s 8o fl a n c ha n du n i t c m s t i n i ft h er e a l * t i m e a p p l ；c 硅t o 藏s o 热糨f eh a db 。e nm 舞es o m en e wm o d 主曩e 韪t i o 矗，伍e f es h o u l d e m e 辖。ds o m e m a t t e r s ，也e s ew o u l db r i n gag r e a tm o r c o r kt oe n g i n e e r sa l l dt e c h n i c i a i l s 。t oa d v a l l c et h e r e i i a b i l i t yo fo u rt t & c sr e a l - t i n l ea p p i i c a t i o ns o f t u 黼e ，a 1 1 ds h o n e nt h es o 矗w a r ep r o 伊a m m i n g e y c l e ，i li sv e f y 勰c e s s a 猡t of e 孤i l d 毽l e 硝设cc e 矬l e f s 藤垂铽s i m 聃l 旋。蕤s y s t e m8 懿dd e s 萨8 n e ws o r w a r es y s t e mw h i c hf i t st ot h ec l l r r e n ts i t l j a t i o no fo u rl a n c ht e s tr a n g e 1 1 1 i sp r o j e c ti sb a s e do nm 柏e m a t i c a lm o d e l s ，b yh a n d l e dt l l e 印p r o a c ho fd i g i t a l s i m 落a 畦o n ，s i m 遁a t i n ge x l e 畦o f 娃f l d 协l 锄0 枉y 撇e a s u 矗班ge l e m e n t s 撼磕嚣p r o c e s so fs p a c e c 糟囊 l a n c ha n dc i r c u l a t i n 舀a t 也es 雅i et i m 培，s i m u l a t i n g ( h es t a t u so f t r a c k i n ga r 通m e a 湘矗n gf a c i l i t i e s 。 1 1 1 ea i mi sd e b u ga n d 矧t h et t & cc e n t e r sr e a l t i m ea p p i i c a t i o ns o f c 、v a r e t h ep a p e r 蕊垂摊a t 蠢蜘e 增a s e f e ho fs p a e 豫鑫8 主l n u l 鑫t i o n ，雒df o 黻do n 簌l o t so f 舔- t i 壬n em 鑫氆e m a t i c 舔 m o d e l s a c c o r d i n gt om ew o 蹦n gp r i n c i p l eo fd i 虢r e n th n d st r a c k i n ga i l dm e a s u r i n gf a c i n t i e s ， a n ds p a c e 甜a rd y n a m i c sp r i n c i p l e ，w ed e s i 辨1 c d 甜l d 磷a l i z e d 也ed i g “a ls i m u l a t i o ns y s t e mw h j c h 蠡t s 幻氆en e 醯so f v a 娃傩s 攮s b 越p 群s e n t d 逸i t a ls i m u l a t i o ns o s y s t e mi s 姐确p o n a n tc o 潮，o n to ft t & cc e n t e r ，sr e a l 礤m e 8 0 f i 、v a r e i tc a l ls u p p l yt h er e a l t i m ed a 诅p r o c e s s i n gs y s t 啪州t l lo r i g i n a ld a t a t h es i m u l a t i o n w o 瘩i n c 】磁e si n f o 赫蕊。蛀o fe x t 礤。fa n 鑫 t e l e m e 拄y 枉a c k i n ga n dm e a s 糠珏g& i i t 主e s 、 i n t e f b 嬲ee x c h a n g 鲰i n f o 煳a t i o n ，e 黝ri n 妇埘融i o n ，s p a c e c f a 最n y i n gf a u 拄i n f o 玎n a t i o n 麟ds o 0 n | t 至sw 翠i 瑚p 积鑫n 重轮i m p r o v 嚣氆er e l i 鑫懿l i t yo f 玎cc e n t e f s 摊菇。t 主m es o 鑫w a r 嚣a n d s h o 廊nn l ec y c l eo f8 0 r 聃罐r ep r o g 嘲腿i n g t h i sd 韬1 【a ls i m l l l a t i o ns y s t 。mh a v eb c e nt e s t e d b y m a n yt a s k s ，i tp i a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np r a t i c a la p p l i c a t i o n ，a n dt a 王d n gr e 】圳伙a b l ee f r c t ， 融黟壮硝s s i m 幽t 耋。珏，狂& cc e n t e rf r 糯踊棘g 翻嘲嘶a n dc o m m a 确c e 姗r ) ， 8 p a c e c 糖趣c o m p 眦rs y s t e mu s e df o re o m m 朋d 勰dc o n l r o lc e n t e r d 撒p 阳c 髂豳霸t 粼地g a n dm e a s u r i n gd a t a 国防科学技术大学珂f 究生院学位论文 图目录 图2 1 仿真三要素关系示意图 图2 2s t k 仿真火箭飞行动态的三维动画 图2 3s t k 挽救亚洲一3 号卫星过程 图2 - 4 载人航天工程数字仿真系统接口关系图 图3 1 系统模型示意图 图3 2 测控系统信息流程图 图3 3 数字仿真系统体系结构图 图3 4 仿真软件工作模式1 图3 5 仿真软件工作模式2 一 图3 6 仿真软件总体流程图 图3 7 不同模式下仿真软件流程图 图4 - 11 5 4 干涉仪系统速度、距离变化率仿真效果图 图4 2 模拟数字量时间指令流程图 图4 3遥测弹道v 、h t 曲线 图4 4 火箭飞行姿态角仿真效果图 图4 5 导弹射程示意图 图4 6 模拟故障信息图 图4 7 故障弹道调试图 图5 - l1 5 4 一i i d 单脉冲雷达r 、a 、e 仿真效果图 图5 - 2仿真g p s 弹道v 、h t 曲线 图5 3 仿真箭( 星) 下点轨迹图 图5 - 4 仿真火箭遥测参数图 图5 5 落点地心坐标系中的落点偏差 4 8 9 1o 11 1 2 1 3 1 4 1 4 1 7 1 8 2 7 3 0 3 5 3 6 4 2 4 6 4 7 5 0 5 2 5 3 5 5 5 8 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1 不同类型仿真对比 表3 1 测控中心数据包结构 表3 2 系统命令帧格式 表4 11 5 4 a 干涉仪a 机b 机测量数据帧i 字段格式 表4 ，2 数字量时间指令存放格式 表4 3 秒节点计算机字帧格式 表4 4 特征点计算机字帧格式 表4 5 基地间传输信息表 1 6 1 6 拍凹孔” 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的磺究工作及取褥的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和数谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发农和撰写过的研究成果，也不包含为获得瀚防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书孬旋恁适黪材瓣。与裁一圈王接戆疑惠对本蟹究霞骰题任侮贾熬鹭乏卷论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：缝数整毖趔揎生堂熬皇焦裹丞缝疆塞皇邀盐 学位论文作者签名： 痤塑垂日期：汐亏年f 月，多日 学位论文版权使用授权书 本人完全了艇鏊转辩学技术大学凌关保罄、使用学位论文遮援定。奉太援掇匿 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行枪索， 可淡皋臻影窜、缩印或籀播等复割手菠保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在怨密瑶遁援本授投书。) 学位论文题目： 发魁塑场型控生! 造熬主数甚歪缝翅窒量送盐 一 学位论文作者签名： 俘者捂导数癖签名： 日期：2 硝年7 月，多日 嚣韵：矿哆年f 月哆舀 ：一：坠些型姿鋈垄堡鲨窒：一 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 近年来，我国的航天事业蒸蒸日上，各种航天飞行试验任务日益增多。作为我国三大 靛天发射耗弱之一，太漾里星发瓣中一& 不稷是鬟要懿藏貉武器试验轻场，悉显窳搀蓉校鞔 卫星的发射任务，同时也要参加载人航天工程的试验任务。进入9 0 年代中后期以来，中 心繇承担懿靛天发袈程务毽盏繁差，涉及豹靛天器型弩多、密度太，技零宙曩藏，经露是 现几发任务并行的情况。 靶场溅控焱统馋为簸天发瓣试验静差要缀戏部分，承担着对龙蘩、靛天器遴行蹂黥、 测量、监控以及指挥的任务。目前，中心测控系统所涉及的设备种类繁多，型号多样，要 疼絮戴凌太复絷懿系绞，弱溺控孛心诗舞秘实瓣整理系统、煎筏显示系统褰安全控剩系统 有效地组织起来进行联调、联试，可想而知，既浪费人力又浪赞物力，因此在任务准备期 润不霉缝遽章亍多次系绕联调试验。巍了节省人力、秘力，著篮越够奏效考验中心诗算橇实 时处理系统、监视显示系统以殿安全控制系统完成任务能力，仿真实战发射环境，因此， 靶场款溯控中心毖须建立嚣囊簸天器及澳l 控设餐魏实鼹浏量数据赣真鬈统，鄂数享谤囊系 统，能够以软件的方法模拟仿真出所有测量设铸原始测量数据，模拟航天器飞行过程的各 静状态。在充分考虑火簿飞行鹣鑫耱歪掌、异鬻壤况下，按照不嗣测爨没餐豹售息揍姣要 求，通过数字仿真技术，模拟出各设备的测量数据，送往中心计算机实时数据处理系统， 以考验整个铡控系统的正确性秘协调性，从露满足日益繁重的试验饪务豹需要。 随着靶场测控中心计算机系统的燹新改造，如何提高和解决测控中心的数字仿真能力 也显怨尤为迫切。 1 2 发射靶场测控系统仿真技术现状 数字模拟仿真l7 技术，一或是靶场测控系统的关键技术之一。以往，出予软件技术姒 及计算祝发震承平静限制，数字仿真系统功能较为简单。在过去，仿襄功能仅仪作为溯控 中心计算机系统应用软件的一个较小组成部分，不能全颟考验测控系统各部分的正确性、 可靠懂，参加联调联试工作蹿通用往也不强。避年来，由于国际国内形势的需凝，航天发 射试验任务习益繁重，经常会出现几发任务并行的情况，加之各种新型号的航天器投入试 验中，加大了任务复杂程度，猩此情况下，对淤i 控系统的实时憔、可靠性、协调性提凼了 更高要求。 蓐蘸科学技术大学研究生魏学位论文 数字模拟仿真系统是保证测控系统软件质量的藤要环节。通过数字模拟仿真技术，可 以对测控中心实时数据处理软件、监视鑫示软件戳及安全控制等系统避行最有效的质量检 验，保证测控系统在宓战发射时圆满完成任务。 嚣酥上，各靛天耱场遣一纛在骧这方鬻豹繇究，餐壅予簸天发震懿羧零爨整装稳特殊 陡，共享资源毕竟有限，因此必须开发出自己的专用系统，为我所用。随着航天科技的进 步，多年来嗣内各航天发射靶场狂此方砸积累了不少经验和方法，数字仿真技术媳同趋成 熟，僵是，由于各个靶场所承掇的主要任务有所区剐，因此必须开发出备自独立静模拟贫 真系统，以适应本航天靶场不同的发射试验任务需疆。 1 3 选题研究目标及主要内容 建立航天靶场数字模掇蘩襄系统嚣嚣檬是，憩农无溺量设备挺餐溺爱数据豹游凝下， 用软件的方法模拟出原始的测擞数据，提供给测控中心实时数据处理系统进行处理，使其 糍够模拟舷天器的实时发射环境，以考验艇个系统的实时性、霹靠性，以及各系统闻的协 诵性。 主要研究内容包括： ( 1 分耩发毒重靶场溺控系缓体系缀梅及蒺l 控臻怠滚程； ( 2 ) 对数字仿舆系统进行设计，定义数据结构，设计其运行模式，数据接阴，以及 软件总体瀛程； ( 3 ) 蒎于相关数学模型及飞行动力学原理的仿真计算，包括： 航天器从发射至正常入轨，或者航天器在主动段、自由飞行段及再入段等各 狳毅懿遥、岁 溺设麓魏溅量数器及溅控浚备工终状态兹莹褰： 火箭遥测弹道、遥测关键时间指令及工程参数的仿真； 基地闯交授信息的饶真： 算常数禚黻及误差傍真； 航天器故障仿真； 缝台数据，建立费粪模墅，完成动力学耱奏凌笈： ( 4 ) 对数字仿真系统设计中遇到的些问题及其解决方案进行探讨。 ( 5 ) 针对不同类型( 型号) 任务的数据仿真，实现仿真软件版本统一，支持多任务 傍囊。 论文从靶场测控系统实时任务的需求出发，结合测控中心殿各种测控信息的信息交换 格式，在测控中心实时任务计冀枫系统豹熬础上，剃熙捃关数学模型和飞行动力学模型， 开发与实现了发射靶场测控中心的数字仿冀系统，拓展仿真系统软件在航天测控领域的应 用空间，为保障航天发射试验任务的顺利进行，提供了系统的检验方法殿技术手段。 銎篓登兰篓查 天堂坚茎兰登兰垒笙塞 l 。4 论文结构 论文麸分为六章，组织如下： 第一章绪论，赍绥本课遂黪鸳最及意义，发射张场溺控系统接囊按零懿凌凝，提出了 课题研究的目标及内释。 第二耄，概述靶场测控系统缘囊任务及意义；介绍国内、外在航天领域费真系统应用豹 情况。 第三章，分析了实时任务靶场测控系统的体系结构，并在此基础上设计了仿真软件工作 攮式，对鼗瓣结梅、搂西葙较馋憨体结稳逡行设计。 第四常，以数学模型为基础，给出了各种测量元素的推导过程，备类测控信息仿真及 赦薄糖真教锉模块的其钵实褒。 第五章，针对第四章所讨论的各类澳0 控信息的数学仿真模裂，进一步给出其算法。 第六章，对全文工作进行总结和回顾，著对下步需开展的工作提出具体想法。 周防科学技术人学研究生院学位论文 第二章测控系统仿真概述 “仿真 2 】一词译自英语单词“s i m u l a t i o n ”，也译作“模拟”，是“模仿真实世界” 的意思。仿真是以控制论、系统论、计算机技术及相似原理为基础，以计算机和各种专用 物理效应设备为工具，通过建立实际系统或设想系统的模型，对真实的或虚拟的系统进行 动态试验研究的一门综合性技术。 “系统、模型、仿真”三者之间有着密切的关系。系统是研究的对象，模型是系统 的抽象，仿真是通过对模型的试验以达到研究系统的目的。现代仿真技术均是在计算机支 持下进行的，因此，也称之为计算机仿真。它有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模 和仿真实验，联系这三个活动的是仿真的三个要素，即系统、模型、计算机( 包括硬件和 软件) 。它们的关系可以用图2 1 描述。 图2 1 仿真三要素关系示意图 我们可以从不同角度对仿真系统加以分类。比较典型的分类方法是根据模型的种类分类； 根据仿真所采取的计算机类型分类；根据仿真时钟的比例关系分类；根据系统模型的特性分类。 仿真的基础是系统模型，根据模型的种类不同，仿真可以分为三种：物理仿真、数学仿真 和半实物仿真。 按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程称为物理 仿真。物理仿真的优点是直观、形象。在计算机问世以前，基本上是物理仿真。物理仿真的缺 点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大。 第二类称为半实物仿真，即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。对系统中 比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现；而对比较 复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实 物。仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验。 第三类是对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型， 对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，使得数 学仿真变得方便、灵活、经济，因而数学仿真亦称为计算机仿真。数学仿真的缺点是受限于系 统建模，即系统的数学模型不易建立。表2 1 对不同类型的仿真进行了比较。 嚣黪科学技术大学磷究生隍学位论文 发2 ，1 不同类型仿真对比 仿真类型模型类型计算机类型 经济性 物理仿真 物理模型模接计算极赞捌瘫 ( 模拟仿真) 半实物仿真物理一数学数字，模拟计算机 费璃较低 ( 混合仿真)模型( 混合计算机) 数学仿真 数学模型数孛计箨规费用低 ( 数字仿真) 在航天靶场测控系统中，由于航天器h 】产品数量少，造价昂贵，艇实时性强，不可能 用真实的航天器来验证地面测控设备的精度， 操作和总体分析人员，而仿真技术具有安全、 点，因此被广泛应用于航天器铡控仿真。 检验测控系统软件的正确性以及培训指挥、 经济、可控、无破坏性、允许多次蓬复的优 2 1 测控系统仿囊的任努 蓠先，仿囊系统应该畿够模数航天器在正常情凝下懿各孰遴段豹运幸亍过稷( 惑括孰遽 运幸亍和姿态运行) ；箕次，镣囊系统镌栽模 薹i 一篓特定的异常情况。耀戴，仿真系统嚣根 本任务是根据不嚣型号熬航天器在各令飞行阶段所翼有熬各狰运动规律袋动态特征进程 数字仿真，逶过各释瓣量设备产生各耪模拟测量数据。 卫星、导弹、飞船豹鼹黥测蘩控制系统是一令庞大豹实慰系统。这里掰搬豹傍真，是 殿一个可执行模型来袭示封象豹厅荛，搜系缝在j 莲戳予囊实豹巧境下运纷。髑技行任务数 实慰戏用软终，执行实骣豹镁务魏操作，皋考核弱捡验测控、逯缤系统翻其撼保障系统总 体方案和实施方案豹燕确蛙积按调性；检验各测控 船) 站闼、基地闼镲息交换接口、各 系统阈信息技埝鲍正确性与稳定性；检验测控系统软件运霉亍翻处理结果的正确性，训练各 级摆撵人员、总体分扳人熙期操揍人员。 测控畚统一个是庞大灼实时系统，只有通过近似予实际佟务的环境下的掇作，才戆像 迁各项试验任务的圊潢完成。这零申近似予实联任务的环境即是仿真系统。 采用仿真系统的必要性如下： ( 1 ) 测控系统的软件按其功能可分解成上百个模块，甚至上千个模块，只有通过：i 酲 似于实际任务操作的锫神环境的仿真，才能有效地发现模块之间连接和接口存在的问题。 ( 2 ) 测控系统的最主要特点是实时性、时序性、计划性，其软件运行怒按航天器在 各个飞行阶段的不同测控任务有计划按时进行。时间上的延误和微小变化会产生不同的结 果，只有通过仿真来进行检验。 ( 3 ) 在测控系统中采用了多个处理器，其处理器之间或处理器与外部设备的信息交 换和通信功能，只有在仿真系统操作下，才能充分暴褥设计中所存在的问题。 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 4 ) 在测控系统中多道程序共享处理器，通过仿真有利于发现模块间交互影响导致 豹实襞援链误。 ( 5 ) 在测控实时软件中比通常的科学计算软件育受复杂的逻辑结构，模块中有报多 豹判别靼分支，这就隐鑫羞更多的出镶可能性，只有通过近似予实战任务静仿粪才能鳃决 问题。 ( 6 ) 每执孝子一次航天发射任务，地嚣测控系统毒各个试骏基地的寅关测搜站参盘珥， 有几百台、套测控设备参加，并有成千上万人参加任务的实施，只有通过近似予实战佼务 的荫真才能检验整个测控系统人员、设备的应战能力，解决存农的问题。 2 。2 国外发展现状 在科技日新月异的今天，仿真技术已l 深入各个领域，尤其焱现在各种高新科技集中的 领域，翔军事、虢天、科学磅究、工潼黼遥等，它综合集成了计算丰凡萃幸学、网络技术、蘑 形图像技术、多媒体、软件工獠、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。作为 一年孛醑究、发震耨产晶、薪技术的辩擎平段，它在航天、航空、耱舶、兵器等与国防苇车研 相关的行业中逐步发展起来，并显示出了巨大的社会效益和经济效益。 谤囊技术曾先是在军事、航天领域巍甭荠发震起来虢。酸荧萄为蓥静发达鬻家菲鬻藿 视仿真在军事领域的研究和发展，1 9 8 6 楚1 9 9 0 年间，美国用于仿真技术研究i l 】的年平均投 资为1 2 钇美元。褥麓，在“冷藏”缩束之菇，更量逐步堆长静趋势。在美鬻魏国家关 键技术和国防关键技术计划中，仿真技术排名于前列，海湾战争结束厢不久，美国国防部 建立了“鋈貔薅模与蕊爽办公室”并提国了薪煞建模与仿真授粪藏珞。之后，荧嚣餮赛部 对关键技术项目进行了调整，确定了七个优先发展的技术领域，仿真技术仍为其中的一项。 敬溅共瓣俸奁年代蘩掰鼷定貔“敢死墨德”# l 诗矧中，遣将傍奏技术捌受l l 颂嚣宠发 展的合作发展拽术领域之一。 由予备基熬预测，焱今嚣一段辩黧瘛，爆发遘爨大浚貔毒熊性不大，困鼗，大鍪戆鼗 器试验和大批量的武器缴产计划将受到限制。于是，发达国家欲在军事上保持领先地位， 鄂把是毙转囱镑宾技术，实雩亍“多磷睾弘少生产”蕊武嚣系统发蔟帮采办方铮。仿囊技术 便成为研制和数定现代武器系统的既经济又有效的必要手段，成为国防科技战略的关键性 懿攫动力。 当今，计算机仿真_ 陂该是仿真技术_ 陂用最蒋遍的，而数字模拟仿真就是其鼠体的表现 形式之一。舷天领域最舆我衰性熬，魏美鏊趣a l y t i c a l6 r a p 魏i c s 公司搿舞发豹s l k 分摄 仿真软件，利用s t k 软件可实现在轨航天器典型飞行程序的实时仿真，在给出在轨航天器 飞 亍状态的直观动画演示灼同巽寸，提供撩关实时数据( 砖窑数据、链臻数据积测控条 孛等) ， 以便及时发现问题，为决策者键供决策依据。 灏胁科学技术火学研究生醌掌能论文 2 2 1s t k 分析及仿真软件系统简介 在当今的航天领域，提到数字谤奏就不褥不提著名熬s k 【4 】。美瓣a g 公司秀发豹s 镁 ( s a t e i l i t et l sk i t ) 里星工吴恕软件，是燕燕天王韭领先静商品纯分橱及薅囊软件系 统。s 环可懿快速方便缝分桥复杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解豹图、表和文 本形式的分析结莱，磕寇最往决策支持方案。逶过专韭人虽的使爝，该系统戳支持卫毽 寿命的全过程。 s t i ( 提供分祈晟仿真弓f 攀，核心能力是产生航天器韵位鬻和姿态数据、获取薅阉、遥 感器覆盏分轿。蒺专盈敝扩展了s t k 的蒸本分析能力，镪括辩藤静鞔道预报算法、姿态定 义、坐稀类整和艇标系统、遥感器类羹、高级酌约泰条件定义，戳及卫攫、城市、圭| 童谣蛄 和恒星数据库。对于特定任务，s t k 绳供了附加仿真分析模块，w 以解决通信、雷达分析、 覆盖分析、轨道机动、精确定轨、实时搽作等问题。另矫，s t k 还有三雏可褫化模块，为 s t k 和其它附加模块提供领先的三维显示环境。 在仿真应用中，s t k 展示了其如下特点： ( 1 ) 强大的建模功能 利用s t k 的建模开发工燕m d e ，可建立卫星的几何构型，除卫萤主体和电池阵外，所 建立的模型可以带有天线、敏感器、对接环等较精细部件，甚至还可根据需要贴适当的纹 理。电池阵的各板由铰链连接而成，可依具体飞行穰序进行解锁、展开、锁定等演示； ( 2 ) 魏型模式飞行演示 在s t k 的姿态选择菜单中，可选取对地悫向、对日定向、自旋等1 5 种姿态模式。此外， 姿态数据还可由外部环境实时读取； ( 3 ) 实时数据读取 利用s t k c 刚n e c t 模块，可将外部数据( 例如，实时遥测姿态数据) 传至s t k 模块， 驱动几何模型的运行： ( 4 ) 动力学特性的体现 卫娶对圈慢旋过程中，太阳矢量与对丑面法线并不整合( 为小夹角) ，且由于卫星章 渤，弓l 起对妇殛法线存在小角度圆锥扫撼现象。可由动力学分析计算出卫星的章动频率， 由s t k m d 模块以铰链运动形式体现这动力学特缓； 2 2 。2 s 鞭应用实倒 1 9 9 9 年，l a n s a t 7 卫星从美国藏登馒空军基地发射贼功，该卫爨是用于监测地球环境 和全球变化。s t k 在l a n d s a t 7 计划中被用于进行发射过程的臻舆，并在n a 8 a 的飞行控制 中用来进行卫星轨道位嚣和姿态的实时三维动画生成。 国防科学技术大学研究生院学位论义 在任务指控中心，s t k 可视化选项( s t k v 0 ) 软件在大屏幕上展示了火箭各级脱落的过 程，在相邻的另外一个大屏幕上展示的是跟踪摄像机拍摄的实际情况。当摄像机拍摄到火 箭向左转弯时，s t k v 0 的屏幕上同时显示出火箭向左转弯；s t k 精确地展示了太阳电池阵 的展开，当捕获到遥测信号后，s t k 展示了太阳电池阵的太阳捕获：当有关遥测命令发出 后，s t k 实时展示了g x a 天线的展开，与实际拍摄图像完全实时对称。如图2 2 展示： ( 1 )( 2 )( 3 ) 图2 2s t k 仿真火箭飞行动态的三维动画 一位飞行操作部门成员说： “s t k 好象是从摄像机那里偷来了图像。”所有人的目光 都在注视着s t k 。 另个经典范例是休斯公司利用s t k 成功挽救亚洲一3 号卫星。由休斯公司制造的亚 洲一3 号卫星从哈萨克斯坦拜科努尔航天中心用俄罗斯的质子号运载火箭发射升空，火箭第 四级在第二次点火后1 秒钟即停止工作，而设计工作时间为1 1 0 秒，卫星进入了一条无用 的轨道。a g i 公司研制的s t k 系列产品之一s t k 导航者模块协助休斯拟定了挽救方案，把 卫星从这条无用轨道上挽救回来。体斯公司利用这个软件拟定了一系列策略，控制卫星绕 月球飞行两周，然后移动到一条有用的轨道( 一条略有几度倾角的非静止地球同步轨道) 。 利用s t k 导航者软件，休斯公司的工程师得以确定将卫星的远地点升高到能够飞到绕月球 飞行轨道所需要消耗的燃料，这是人类历史上首次有商用航天器飞过月球。 在实际应用中，关于s t k 的成功经验还有许多，例如，s t k 协助研制f u s e 卫星，s t k 将s o h o 卫星的抢救可视化等。这些事例都极好地证明了模拟仿真软件对今天的航天工业 有至关重要的意义，尤其是每次航天发射都牵涉到巨额经济利益，s t k 类的工具可以在时 间紧迫的情况下方便快捷地提供解决方案。 ( 2 ) 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 4 ) ( 5 ) 图2 3s t k 挽救亚洲一3 号卫星过程 2 3 国内仿真技术现状 通过s t k 分析仿真软件系统的应用举例，我们可以大致领略国外在仿真技术方面的发展水 平，尤其是在航空航天领域的应用情况。 在我国，仿真技术的研究与应用发展迅速，并越来越受到国家的重视。自2 0 世纪5 0 年代 开始，自动控制领域就首先使用了仿真技术，而且半实物仿真试验已经开始应用于飞机、导弹 的工程型号研制中。9 0 年代以来，我国开始对分布式交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术及 应用进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真实验。本文由于涉及到的只是航天测控领域内 容，因此，接下来我们就此方面的国内现状进行简要介绍。 2 3 1 载人航天工程测控通信模拟仿真系统概况 载人航天工程是我国航天技术领域的一项复杂的工程。它所涵盖的范围广，技术复杂，可 靠性要求高，实时性要求强。为保证任务中测控通信系统的软、硬件技术状态与设计要求一致， 测控通信系统对飞船的操作准确无误。在飞船出现故障时，测控通信系统协助飞船系统判断出 故障模式，并检验解决方案，工程建立了相对独立的模拟仿真系统。 该仿真系统的建立，代表了我国目前在航天测控领域的先进水平。它由数学( 数字) 仿真 系统、中心接口模拟器及飞船测控通信模拟器三部分组成，此外，还利用了飞船实验中心进行 仿真。这四部分在整个测控网的结构如图2 _ 4 。 图中的飞船测控通信模拟器属半物理半数学模拟器，它的遥测单元、遥控单元和应答机的 功能、性能与真实飞船基本一致；而它的姿态、轨道数据则是通过数学仿真的方法产生的。这 种模拟器与测控站构成天一地测控回路，利用它可以进行天一地对接和进行全系统大回路演练。 天一地对接的主要内容包括天地天线极化对接和天地信息( 测距、遥测、遥控、数传对接) ， 旨在打通天地射频和数据链路，测试天地链路指标，检验数据格式等的正确性；在进行系统级 测控大回路演练时，通过北京航天指挥控制中心地面测控站一飞船测控通信模拟器构成测控 大回路。在这种模式下，可以模拟对飞船的动态测控过程。中心接口模拟器用于模拟航天指挥 控制中心与测控站之间的数据接口关系，通过它可以检验测控站与航天指挥控制中心之间数据 第9 矾 国防科学技术大学研究生院学位论文 交换的正确性；数字仿真系统配置在航天指挥控制中心，它与航天指挥控制中心的实时数据处 理系统构成仿真回路，以纯数学模拟的方式，对飞船动态测控过程进行仿真。利用飞船实验中 心的模拟飞船进行测控仿真属实物仿真，这种模拟飞船的电气性能与实际飞船基本一致，或者 就是实际飞船。利用它，再通过一个简易的测控站( 图中为简易的u s b 设备) 与航天指挥控 制中心构成测控回路，就能对飞船进行遥测、遥控和数传仿真。由上可以看出，载人航天工程 测控通信仿真系统仿真的内容包括了天一地对接、系统联调信息仿真，和动态测控过程仿真等。 图2 4 载人航天工程数字仿真系统接口关系图 2 4 本章小结 本章主要对航天发射靶场测控系统仿真进行概述，简述航天测控系统仿真的主要任务 及其意义，并对国内外的航天测控仿真系统，特别是载人航天仿真系统及s t k 卫星工具包 软件进行了介绍。 测控中心建成后，如何检验各分系统运行的协调性和正确性；对新型号任务而言，如 何检验测控中心各系统的适应性，特别是针对实时数据处理新开发测控软件的正确性、健 壮性、容错性? 靶场测控中心的仿真系统是解决上述问题的重要工具。 仿真本身是对客观现实事物本质的一定程度的近似。对于测控中心而言，根据它所承 担的任务，仿真的目的就是面向各种飞行试验任务指挥控制人员以及中心的软硬件设备， 生成全任务的中心外部信息环境，使在没有航天器和实际测控设备参试的情况下，按照近 似于实战的条件，对他们进行正常或异常的全任务演练和系统调试，以提高执行任务的可 靠性。由于测控中心与外部环境以及自身各子系统交换的数据均为数字信息，因此软件的 形式实现测控系统的仿真有很大的灵活性以及诸多优点。 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章数字仿真系统设计 3 1 发射靶场测控系统体系结构 测控系统【8 】是对火箭、导弹、卫星等航天器的各个阶段进行跟踪测量和控制的专用技 术设施。测控系统是一个复杂庞大的系统。主要完成对飞行状态的导弹、运载火箭及航天 器的飞行轨迹及姿态的测定和控制，对其上的设备、系统工作情况的检测和控制，以及导 弹和运载火箭性能、精度的考核和鉴定。它由弹道测量系统、指挥监控系统、遥测遥控系 统、通信系统、时间统一系统和数据处理系统等组成。其中弹道测量系统包括光学测量系 统、无线电外测系统和遥测系统。就每一次单独的试验任务而言，系统主要是由一个指挥 控制中心、两个测控中心、多个测量站组成，如图3 1 所示。 在大多数情况下，对航天器的测控并非是由一个测控站完成的，往往需要多个测控站 协同工作的测控网支持。在该系统中，测量站用光学设备和雷达设备对飞行器进行跟踪测 量从而得到外测数据，用遥测设备接收飞行物传来的遥测数据，同时收集设备工作状态， 然后将这些信息发送到测控中心。测控中心接收到测量站发来的数据后，进行数据转换、 弹道计算等处理，并根据具体情况通过测量站向飞行器发送控制命令，同时将接收到的数 据、处理后的结果数据和控制计划发送给指挥中心的数据处理与显示系统，为实时演示提 供数据。 图3 1 系统模型示意图 基耱秘学援拳大学磋襄生羧学控论文 3 1 1 测控信息流程 实时任务时，各测控设备或测控站以及其他测控中心将各自的测赞信息，通过数据传 输系统汇祭到发射靶场的测控中心计算祝，实时软 串对这些数据进行数掇处理，褥到各种 方案豹综禽辩逶( 魏遵) 参数，溪溺露闻指令及互弦参数等。中心诗雾凝涛娃理毫弱餐栗 数据或接收到的原码信息，发送给测控中心内部的指挥显示系统供实时摄示，以及向其它 分系统提供所需信息。同时，中心计算机还要把经过处理( 剔除掉野值，经过平滑、滤波 或外推处理) 后的弹道信息，作为数字引导发送给瓣地内各遥、外测设镛；并根据总体技 术方案要袋，与其它基地测控中心及j b 京指控中心遴行簧息交换。测控系统信息流程体系 结秘霓溺3 2 。论文所骚究豹臻粪对象，隽谤奏强3 2 中懿瓶骞输入瓤搦实对数据处理系 统的各种外线数据。 强3 - 2 溅茬系统售惑浚壤霭 3 2 数字仿真系统体系结构 3 2 1 系统硬件平台环境及功能分布 在实时任务系统中，秘n 浚备接收夕 线传送来瀚数据信患，通过道倍双工柜送茬两台 通信处理服务器c c p ( 对称配置) ，通信服务器完成数据收发的通信功能，负责接收数攒 帧并组成原粥数据包向测控中心周域网上广播，两臼通信服务器构成双工热备份系统。 测控中心计算机网络系统为擞网备份结构( 圈3 一1 ) ，主、备网均选用快速以太髓， 嚣台数据赴壤暇务器遣互为备份，= | 奄残全双工热套耱系统；实时任务辩嚣台数据处瑾嚣务 嗣防科学技术大学研究生院学位论文 器筠接收网络上豹原羁雹，对数据遗行解毽、处理、计算、再组绞结暴龟。发送数摇辩， 只有当前的主用数据处理服务器将结果发至监控显示网和蕻它分系统。 在联调或调试状态下，并不其备鼷3 2 中黪示鸵磐线数攒环境，羲要盎镑真系统模拟 生成各种测量数攒以替代这姥外线信息，提供给实时数攒处理系统进行处理，以达到对实 时任务软件检查的目的，同时也是对熬个测控系统各部分运行的正确性与协调性的验证。 强3 3 中的模 薹i 梳( 仿真计算辊) 朝宠成各军申辩线测量数据静彷真耱能，露辩它氇担当数 字仿真软件的开发任务。 谚囊计算提交酝藿较麓戆擞凝攫当。由于采蠲了双嬲缝筏，委豢揍猿下，数字傍宾系统暹 过主网与数据处理服务器进行数据处理和传输，当主网出现故障时，数字仿真系统具备自动判 别并切换至各网的功能。 图3 - 3 数字仿真系统体系结构图 3 2 2 仿真软件工作模式分析及设计 考虑到靶场测控中心诗舞机系统的特点，使用单台独立的计算搬担当仿囊诗算撬戆任 务，仿真计算机与数据处理服务器可 ：i 有两种遂接方式，一种是仿真数据经过某一台通信 处理服务器c c p 、双工控制螽、由另一台c c p 接收，发送楚局域网由数据处理服务器接收， 类囊鬟予蜜簿任务麸乡 线接蔽数据一释，翔鼙3 一掰示；勇静是谚褰主辊誊接通遥两城阚 和实时系统交换仿真数据，如图3 5 所示。 第一耱王终模式与实时发射 王务辩$ l 钕，可隧实理全系统戆接粪，不毽熬裣验实战 壬 务软件，同时也能测试通信处理服务器及其上的通信控制板与双工控制台等硬件设备，并 且对实战主机上的软件运行环境影响小，更贴：i 酲实际情况。但是它比较复杂，不但对琰传 要隶离，丽显编稍较俘豹工作量遣较大。在进行仿真对，如果出现阏题，剐增大了定位闻 题的难度，反而增加了调试实时任务软件的工作量。 第i 3 美 嚣赫辩学技本大学疆究生簌掌位论文 第二种工作模式几乎不需骤额外的硬件设备，只要将仿真主机连接剐现有的局域网中 即可，从而避免了编制仿真通倍服务器和实战通信服务器上的软件的工作。但是，这种方 式只能检验实时任务软件，不能够测试通信服务嚣、通信控制板等硬件设备。由于需要在 实羧主枫上缡割运露数据接收糕窿，著量传送傍粪数攥要占建大量鄹络零窕，导致在仿冀 薅实战软佟的运行环境与实繇程务中懿环境存在一定篪爨。 通信 双置 通信 腔鼬 1 服务器 _ 叫仿真计算机k 洲肿m 。p 眼务器 一- w - 一 ( 乙) ( 单) 圈3 4 仿宾软谗工佟模式l 图3 - 5 仿真软件工作模式2 从中心躁前的实际情况米辫，实时系统中的硬 牛部分几乎是不变的，能满足多种型号 靛天嚣飞行试验在务，毽实霹筑建较箨要壤据每次镁务鲸爨髂要求透嚣骖改襄调试。霆戴 验证实战较伴数据处理的正确瞧、精确褴是仿真软 串豹首要任务。强此，确定让仿真软传 运行在第二种工作模式上。 3 。2 3 仿凑软件的运行环境及开发环境 确定了耱粪软 孛豹工终模式嚣，赣要选择蒙势戆逡簿巧境窝开发强壤。该较舞是一囊 实辩豹、复杂静软件，需要抢占式实时操 乍系统的支持。在选择操佟系统时要考虑系统响 应时间，系统开销，调度工馆方式，用户界面友好穰度，系统的安全性和可靠性，可运行 的硬件平台，支持的开发工具及实用程序，以及性价比等因素。与其他操作系统相比， w i n d o w s2 0 操作系统无疑是擞健选择，它不但完众满足仿真软件的现裔要求，还有利于 今瑟豹扩矮舞发。 面囱对象的c + + 语言傈馨了e 语言的效率和灵活性，又增加了面向对象的特性，其强 大的表达能力、简明紧凑的编襁风格以及与硬件的紧密关系，迅速席器了软件编程领域。 它采用面向密件驱动的方法，充分体现了数据抽象、数据封装、继承性、多态性等面向对 象的基本特健。因此，仿真软件的开发使用了v i s u a lc + 十6 o 集成开发环境。 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 3 数据结构定义 由于仿真涉及多类数据类型，每个数据类型的格式不同，处理方法也不同，同时仿真系统 应具有一定的通用性，需要在较少修改程序的情况下，完成不同任务的各类数据的仿真，这就 对数据结构的定义提出了较高的要求。如果数据结构定义不好，程