半實(shí)物仿真在飛行模擬器中的應(yīng)用

1、飛行半實(shí)物仿真系統(tǒng)半實(shí)物仿真方法制作人 *1 1、飛行半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成與原理 飛行半實(shí)物仿真系統(tǒng)將接入飛行控制、制導(dǎo)、導(dǎo)航等系統(tǒng)的傳感器、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等實(shí)物，飛行器飛行動(dòng)力學(xué)模型等都在仿真計(jì)算機(jī)中解算，驅(qū)動(dòng)信號(hào)將控制各種物理效應(yīng)設(shè)備，形成各種傳感器測量用的虛擬環(huán)境。仿真總控臺(tái)控制整個(gè)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，包括初試條件和參數(shù)的設(shè)置、運(yùn)行過程中的監(jiān)控和參數(shù)記錄存儲(chǔ)，運(yùn)行后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估和文檔建立等。2 2、控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真 傳感器姿態(tài)陀螺儀航向陀螺儀動(dòng)靜壓傳感器過載傳感器等 物理效應(yīng)設(shè)備三軸轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)靜壓模擬器加速度模擬器負(fù)載模擬器2.12.1、三軸轉(zhuǎn)臺(tái) 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)用來模擬復(fù)現(xiàn)彈體或機(jī)體的空間角運(yùn)動(dòng)

2、框架系統(tǒng)有三個(gè)框架（分別為內(nèi)、中、外框架）。內(nèi)框架通過外框、中框和自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，具有三個(gè)角運(yùn)動(dòng)的自由度 在內(nèi)框上安裝真實(shí)的角運(yùn)動(dòng)傳感器，可測出與實(shí)際飛行中相同的角運(yùn)動(dòng) 三個(gè)框架的轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)于歐拉角，也即姿態(tài)角，可以有不同的順序。一般將外框轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)偏航角，中框?qū)?yīng)俯仰角，內(nèi)框?qū)?yīng)滾轉(zhuǎn)角 在飛機(jī)飛行控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，三軸轉(zhuǎn)臺(tái)由仿真計(jì)算機(jī)中飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型解算出的俯仰角、傾斜角、航向角等基本信號(hào)驅(qū)動(dòng)。仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，飛行控制系統(tǒng)的水平姿態(tài)陀螺、航向陀螺、角速率陀螺安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上。2.22.2、動(dòng)- -靜壓模擬器 這是一種由伺服系統(tǒng)控制氣體容器壓力變化的裝置，控制信號(hào)由仿真計(jì)算機(jī)中大氣數(shù)學(xué)模型和飛行動(dòng)

3、力學(xué)數(shù)學(xué)模型解算獲得，飛機(jī)上的動(dòng)-靜壓傳感器直接與其體容器連接。2.32.3、恒速轉(zhuǎn)臺(tái) 穩(wěn)定的恒速轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生的離心加速度分量是實(shí)現(xiàn)加速度模擬的一種技術(shù)方案，在仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，加速度傳感器置于恒速轉(zhuǎn)臺(tái)上，其位置和測量軸線方位隨加速度信號(hào)改變。2.42.4、負(fù)載模擬器 飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱飛機(jī)舵面時(shí)將克服氣動(dòng)載荷形成的鉸鏈力矩，它是飛行速度、飛行高度、舵偏角的函數(shù)，負(fù)載模擬器將模擬生成鉸鏈力矩加載于飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（舵機(jī)），負(fù)載模擬器是一種力伺服系統(tǒng)。3 3、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真 傳感器姿態(tài)傳感器加速度傳感器導(dǎo)引頭 物理效應(yīng)設(shè)備射頻目標(biāo)模擬器紅外目標(biāo)模擬器等 導(dǎo)引頭是截獲、跟蹤輻射源的核心

4、部件。由天線、接收機(jī)、信號(hào)處理器等部分組成。根據(jù)接受的能量和信號(hào)的物理特性，分為射頻、紅外、可見光圖像等。針對(duì)不同類型的導(dǎo)引頭，仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)需要對(duì)應(yīng)的目標(biāo)模擬器。示例 在這個(gè)方案中，使用了紅外導(dǎo)引頭。另外使用紅外CIG生成具有目標(biāo)與背景紅外特征的視頻信號(hào)，用于模擬導(dǎo)彈飛行時(shí)觀察到的遠(yuǎn)方的紅外圖像。4 4、導(dǎo)航系統(tǒng)半實(shí)物仿真 主要任務(wù)：導(dǎo)引飛機(jī)沿既定航線飛行；確定飛機(jī)當(dāng)前所處的位置及其航行參數(shù)；導(dǎo)引飛機(jī)在夜間和復(fù)雜氣象條件下安全著陸。 無線電導(dǎo)航 利用無線電引導(dǎo)飛行器沿規(guī)定航線、在規(guī)定時(shí)間達(dá)到目的地的航行技術(shù)。利用無線電波的傳播特性可測定飛行器的導(dǎo)航參量（方位、距離和速度），算出與規(guī)定航線的偏差，

5、由駕駛員或自動(dòng)駕駛儀操縱飛行器消除偏差以保持正確航線。 慣性導(dǎo)航 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用慣性敏感測量元件，如陀螺、加速度等測量飛行器相對(duì)慣性空間的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在給定飛行器初試條件下，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算出飛行器導(dǎo)航和控制所必須的姿態(tài)、方位、速度、位置等參數(shù)，從而引導(dǎo)飛行器完成預(yù)定的航行任務(wù)。目前慣導(dǎo)系統(tǒng)一般分為了平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。4.14.1、無線電導(dǎo)航仿真組成及仿真方法n導(dǎo)航控制盒和儀表n收/發(fā)訊機(jī)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)仿真原理示意圖機(jī)載設(shè)備原件或改裝計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航參數(shù)飛機(jī)航向角飛機(jī)方位角和相對(duì)方位角飛機(jī)航跡與實(shí)際航跡角期望航跡角航跡角偏差偏流角航路點(diǎn)偏航距離地速空速風(fēng)速與風(fēng)向待飛

6、距離和距離估計(jì)到達(dá)時(shí)間與待飛時(shí)間常用機(jī)載設(shè)備 自動(dòng)定向機(jī) 測定飛機(jī)縱軸方向（航向）到地面導(dǎo)航臺(tái)的相對(duì)方位角 對(duì)飛機(jī)進(jìn)行定位測量 引導(dǎo)飛機(jī)飛向?qū)Ш脚_(tái)或飛離導(dǎo)航臺(tái) 測定和指示電臺(tái)方位角 抄收氣象報(bào)告，進(jìn)行定向和收聽新聞和音樂 無線電高度表 測量飛機(jī)離開地面的實(shí)際高度，不受氣候條件影響 指點(diǎn)信標(biāo)接收機(jī) 接收地面指點(diǎn)信標(biāo)發(fā)射臺(tái)的信號(hào) 甚高頻全向信標(biāo)接收機(jī) 提供飛機(jī)相對(duì)于地面發(fā)射臺(tái)的磁方位角，確定飛機(jī)位置 DME測距機(jī) 和地面測距信標(biāo)臺(tái)配合工作，提供所選信標(biāo)臺(tái)的斜距 TACAN接收機(jī) 提供飛機(jī)相對(duì)地面臺(tái)的方位和距離信息 儀表著陸接收機(jī) 與高度信息配合，引導(dǎo)飛機(jī)在能見度很低情況下著陸 OMEGA導(dǎo)航接收機(jī)

7、 確定多個(gè)導(dǎo)航參數(shù)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)仿真方法 對(duì)每種導(dǎo)航設(shè)備都建立仿真模型，反應(yīng)該設(shè)備的功能、動(dòng)/靜態(tài)性能，并編制相應(yīng)軟件模塊 各模塊通過計(jì)算機(jī)接口與相應(yīng)仿真控制面板和仿真指示器連接 所有導(dǎo)航軟件模塊組成無線電導(dǎo)航軟件分系統(tǒng)，與飛行模擬器其它分系統(tǒng)進(jìn)行信息交換 地面導(dǎo)航臺(tái)數(shù)據(jù)庫 大多數(shù)機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備都依賴于地面臺(tái)，因此地面臺(tái)的位置對(duì)無線電設(shè)備仿真至關(guān)重要。在仿真中，將地面臺(tái)數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)庫中，在需要的時(shí)候在數(shù)據(jù)庫中查找需要的參數(shù)來計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)。 甚高頻通訊臺(tái) 發(fā)射方式：以空間波方式傳播 存儲(chǔ)參數(shù)：使用頻率、地理經(jīng)度、標(biāo)高、地理緯度 無方向信標(biāo)臺(tái)（NDB） 發(fā)射方式：以水平面無方向性的方式發(fā)射信號(hào)，在垂

8、直方向上有一個(gè)盲區(qū) 存儲(chǔ)參數(shù)：使用頻率、標(biāo)高、地理經(jīng)度、緯度、識(shí)別信號(hào)、磁偏差、作用距離、盲區(qū) 測距臺(tái)（DME） 甚高頻全向信標(biāo)臺(tái)（VOR） 指點(diǎn)信標(biāo)臺(tái) 儀表著陸臺(tái) 4.24.2、慣導(dǎo)系統(tǒng)基本組成飛機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)仿真方法和實(shí)例 飛行模擬器 導(dǎo)航設(shè)備 硬件 ：仿真控制顯示組件和方式選擇組件中的顯示和控制面板。在要求高的飛行模擬器中，可采用飛機(jī)座艙中的真實(shí)面板進(jìn)行改裝，信號(hào)輸入和輸出的接口經(jīng)過改造和仿真計(jì)算機(jī)連接。 軟件 ：模擬慣導(dǎo)系統(tǒng)其它功能和故障仿真 導(dǎo)航參數(shù)測量 解算運(yùn)動(dòng)方程，轉(zhuǎn)換：由于不存在真實(shí)的陀螺儀等測量元件，其所需參數(shù)通過飛行系統(tǒng)解算獲得。慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)硬件仿真舉例 方式選擇組件MSU 方式選擇開關(guān) 方式和狀態(tài)通告牌 控制顯示組件CDU 系統(tǒng)選擇顯示開關(guān) 顯示選擇開關(guān) 數(shù)字字母鍵 與控制顯示面板連接的仿真計(jì)算機(jī)接口 開關(guān)輸入量 數(shù)字輸入量 開關(guān)量輸出方式和狀態(tài)顯示燈 數(shù)字量輸出慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)軟件仿真 工作方式處理模塊 快速導(dǎo)航模塊 導(dǎo)航處理模