哈工大飞行器系统仿真与CAD复习提纲

《飞行器系统仿真与CAD》复习提纲《飞行器系统仿真与CAD》复习提纲1．怎么理解飞行器系统仿真，有哪些分枝。飞行器系统是一个包含多个学科、多个子系统的复杂大系统。飞行器仿真按照其涉及到的学科门类又可以分为单学科（单系统）仿真、多个学科（局部系统）仿真以及全系统仿真。传统的飞行器气动外形分析设计、推进系统分析设计可以归为单学科仿真研究范畴，飞行器多学科设计优化以及虚拟样机技术可归为全系统仿真研究范畴。由于飞行器自身学科的耦合性以及现代飞行器仿真研究更多地考虑了整体思想，已经很难确切划分它们之间的界限。仿真在现代飞行器的全寿命周期中有越来越重要的地位，而飞行器系统的多样化和复杂性使得仿真软件的开发日益复杂化，对软件开发的要求也越来越高。飞行器系统仿真侧重于指飞行器多学科设计优化，各类以飞行器为主要组成部分的大型航空航天系统如交会对接系统、空间站系统、卫星观测系统，以及飞行器快速原型机仿真框架等。这类飞行器仿真问题规模更大、复杂性更强，仿真建模和软件开发手段所面临的问题更多。2．卫星系统仿真有几种分类，分别说明。在卫星系统仿真中，根据所介入模型的不同，分为数学仿真、半物理仿真和全物理仿真。数学仿真由于不受产品是否存在的限制，可以应用于飞行器研制的全过程，但更多的应用于飞行器概念设计研究阶段；半物理仿真和物理仿真应用于飞行器初步设计阶段和详细设计阶段，其主要目的是在尽可能接近飞行试验的状态和环境的条件下，对飞行器的分系统和全系统进行全面的研究和性能检验。数学仿真、半物理仿真、物理仿真之间是互相补充的，在飞行器型号研制过程中具体用哪种仿真取决于研究的目的、内容和条件。数学仿真：数学仿真是运用数学模型在计算机上进行的试验，包括在模拟机、数模混合机和数字机上仿真，是用数学的语言、方法去近似地刻画实际问题，这种刻画的数学表述就是一个数学模型。数学仿真面临的问题主要表现在以下方面：现实问题可能无法用数学模型来表达，即刻画实际问题的表达式不存在；找到的数学模型由于太复杂而无法求解；求出的解不正确，可能是由模型的不正确或过多的简化近似导致的。卫星数学仿真主要包括下列内容：空间环境模型仿真包括地球引力场、磁场、空气动力、太阳辐射压力、日—月—地摄动等仿真；卫星的轨道动力学及制导与导航系统仿真；卫星的姿态动力学与控制系统仿真，包括三轴稳定卫星姿态确定与控制系统仿真；自旋卫星姿态确定与控制系统仿真；多刚体系统动力学分析及控制仿真；带晃动液体贮箱及大型挠性附件。数学仿真最关键的问题是建立能精确地反映系统性能的数学模型。一个复杂的动力《飞行器系统仿真与CAD》复习提纲学系统建模常常需要两种方法并有。用理论建立的数学模型不仅需要通过试验来取得有关参数，更有待于通过试验来验证和修正。半物理仿真：半物理（混合、数学—物理）仿真是指模型的一部分是数学模型，另一部分是实体模型或实物所进行的仿真，其中包含实物在内的叫做半实物仿真，包含人员在内的叫做人在回路中的仿真。半物理仿真是在仿真的动力学及环境条件下将部分或全部控制系统硬件接入回路中进行试验，但部分控制系统和控制对象（卫星本体）的动力系统仍用数学模型代替。虽然数学仿真可以得到卫星在各种不同参数组合和初始条件下的性能结果，但是半物理仿真仍然是卫星研制中一个十分重要的环节。这是由于一个实际系统，其结构相当复杂，数学模型很难精确地概括全部细节，有时候某些细节的局部误差有可能使系统性能发生质的变化。在这种情况下，数学仿真虽然取得了满意的结果，但在半物理仿真时则可能发现其误差大大超出了设计的要求或者发现新的问题：（1）某些环境（如温度变化）或干扰（如电磁干扰）对部件性能的影响很难建立准确的数学模型，由此引起系统性能的改变也只能通过试验发现。（2）研制过程中粗心大意造成的错误（如敏感器或执行机构极性装反）是不能用数学仿真发现的，却易在半物理仿真中发现并纠正。（3）一个已研制出来的复杂卫星控制系统在上天之前非常有必要在地面对它做出综合性能的定量评价。为了实现某种指标，试验过程中常常对控制系统的硬件或软件参数进行局部修改，于是半物理仿真便成为系统性能鉴定和优化的一种手段。利用系统仿真技术对卫星系统进行试验研究，先要建立系统模型，设计仿真试验方案，根据系统模型利用仿真系统中的计算机和专业物理设备，建立有效仿真模型。然后运行仿真系统，分析仿真实验结果，以达到对系统进行研究、设计、评价或利用仿真系统进行人员培训、作战预演等目的。全物理仿真：物理（实物）仿真是用实体模型（物理效应模型）或系统实际设备（实物）所进行的仿真。是对实际行为和过程进行仿真，早期的仿真大多属于这一类。物理仿真的优点是直观、形象，但是要为系统构造一套物理模型，不是一件简单的事，尤其是十分复杂的系统，将耗费很多的投资，周期也很长。此外，在物理模型上做实验，很难改变系统参数，改变系统结构也比较困难。全物理仿真是卫星特有的一种仿真方法，它利用单轴气浮台或三轴气浮台来模拟卫星在外层空间的无阻尼运动。与半物理仿真相比，全物理仿真真不要仿真计算机参与，卫星动力学和运动学的仿真完全有气浮台来实现。全物理仿真主要用来研究难于建立精确数学模型的部件对控制系统性能的影响，例如飞轮的干摩擦、斜装轮的三轴耦合、太阳帆板挠性等。3．列举1～2例你所了解的导弹/卫星等飞行器系统仿真领域的最新进展近年来，各种受关注和推崇的新的仿真思想和技术手段在航天领域都得到成功的应用，先后出现了一批有影响，有工作背景，有使用价值的成果，如空间站数据管理系统通讯的计算机仿真、虚拟的交互环境工作站（VIEW）、为修复哈勃望远镜而开发的仿真舱外活动的沉浸式虚拟环境（EVA）、美国国防领域的相关组织通过大量研究，提出的《飞行器系统仿真与CAD》复习提纲建模与仿真的高层体系结构（HingLeve1Architecture,简称HLA）、日本为应对各种导弹制导控制技术而发展的HWIL仿真器，等等。美国国防领域的相关组织通过大量研究，提出的建模与仿真的高层体系结构（HingLeve1Architecture,简称HLA），其核心思想是互操作和重用，其显著特点是通过运行支撑环境RTI（Run-TimeInfrastructure),提供通用的支撑服务程序，将仿真应用同底层支撑环境分开，隐蔽各自的实现细节，使各部分相对独立地进行开发，并充分利用各自领域的先进技术。目前，HLA已成为IEEE建模与仿真标准（IEEE1516.X系列），基于HLA的分布式仿真将是今后仿真发展的主要方向。第五代仿真器是一个包含可以对新型中程地空导弹（SAM）进行仿真的地面装置的大规模系统。该仿真器中导弹的制导控制装置采用数字控制方式，因此多处理机也采用数字计算机。据日本防卫厅2006年3月发表的《平成17年度政策评价书》所述，为应对各种导弹制导控制技术的高级化，日本加速发展了红外成像仿真系统，HWIL仿真器作为红外制导导弹的实验评估/最优化系统，其仿真技术水平大大提高。4．简要论述飞行器系统仿真运动平台的种类卫星半物理仿真和全物理仿真往往需要运动仿真器配合进行，运动仿真器的主要功能是提供一种与卫星在轨道运行时相似或等价的运动，使卫星反馈控制实验形成回路。在卫星半物理仿真和全物理仿真试验中，运动仿真器的概念和设备特点都有很大差别，前者用的是机械伺服转台，后者用的是气浮台。伺服转台的分类（1）根据转动自由度分类：根据转动自由度数目可分为单轴转台、双轴转台、三轴转台和多轴转台。三轴转台具有三个独立运动的框架，分别代表卫星在空间运动时其姿态变化的三个自由度（俯仰、偏航和滚动），它是半物理仿真实验中用途最广、性能要求最高的一种转台。（2）根据能源类别分类：按照转台驱动能源可分为电动转台、液压转台和电动-液压混合式转台。（3）根据台体的结构形式分类：三轴转台根据台体结构可分为立式和卧式两种基本形式。立式三轴转台的特点是外框架轴垂直向上，模拟飞行器的偏航角运动，卧式三轴转台的外框架轴是水平方向，模拟飞行器的俯仰方向的角运动。气浮台是卫星控制系统全物理仿真实验的核心设备，按卫星动力学仿真运动自由度来划分，主要有单轴气浮台和三轴气浮台两种。单轴气浮台仅有一个铅垂轴转动自由度，主要用于卫星单通道姿态控制系统全物理仿真和转动部件的单元测试，单轴气浮台的结构主要有气浮轴承、轴承支承座、装在卫星仿真控制系统用的台体及角位移测量装置构成。三轴气浮台由于选用球而气浮轴承支撑模拟台体，它不但能够模拟近似无摩擦的悬浮状态，而且还可以在一定范围内模拟三个轴方向的角运动，因而是较好的动力学仿真器。其主要结构除轴承外，还包括轴承支承座，对卫星仿真器控制系统各部件加载用的《飞行器系统仿真与CAD》复习提纲台体及台体角位移测量装置。5．简要论述三轴喷气卫星姿态控制仿真系统的方案以中国返回式卫星为例。喷气三轴姿态控制系统由姿态敏感器、喷气执行机构、控制器及接口装置四大部分组成。姿态测量系统采用“红外地球敏感器+陀螺”或是“红外地球敏感器+太阳敏感器+陀螺”或是“星敏感器+陀螺”配置。在正常轨道运行期间通过姿态滤波器给出姿态角和姿态角速率的估价值。在消除初始姿态偏差阶段和返回阶段，由陀螺输出和姿态估计的初值算出新的姿态预估值。喷气执行机构为冷气推进系统，采用三种不同推力。控制器由星载数字计算机实现，是一台三冗余容错计算机，用于完成对敏感器数据的采集、处理、轨道计算、姿态确定、控制逻辑计算、形成和发出喷气控制指令，以及遥测遥控分系统的联系。在消除初始姿态偏差和返回调姿阶段控制周期是0.26秒，在正常轨道运行阶段控制周期为1.04秒。在正常轨道运行阶段，这颗卫星受到的空间环境力矩主要是气动力矩，为了减少姿态控制系统的极限环运时的喷气次数和提高喷气效率，星载计算机对干扰力矩的大小和方向进行了估算，使喷气时间随干扰力矩而变化，从而使喷气使用的效果正好抵消扰动的影响，而且形成一个周期较长的单边喷气极限环。应用最优控制规律，在消除初始偏差阶段和返回调姿阶段，以“燃耗-时间最小”为性能指标，在正常轨道运行阶段，以“姿态误差-喷气次数最小”为性能指标，采用星载计算机使得按上述最优准则设计的相平面控制律实现起来很方便。6.简要论述LEO卫星自主导航、深空探测飞行器自主导航或者小型固体运载火箭武器化测发控中可能存在的关键技术，并针对其中一项关键技术，提出相应的地面仿真方案（含流程图、所需基本硬件条件等）深空探测自主导航主要功能是实现在没有地面站测量的情况下，利用星上敏感器获取的信息，自主确定探测器的姿态和位置，为深空探测器自主运行提供参考基准，并自主给出控制指令，完成探测器空间状态的改变。由于无线电通讯传输的限制，深空探测任务要求航天器具有自主位置和姿态确定与控制能力。星上自主导航与控制的实现将会降低系统的复杂性和运行成本。自主导航与控制系统主要功能包括：导航信息处理、轨道自主确定、轨道自主修正及星历修正、姿态自主确定与控制等。关键技术主要有：（1）导航信息获取与目标特征识别对于深空探测来说，导航往往缺乏丰富的信息源，主要利用导航敏感器获取深空天体目标的光学信息进行导航。由于深空天体属于暗弱目标，这就需对目标特征提取方法、序列图像处理方法、背景星剔除与目标星识别技术等进行深入研究。（2）多源信息融合与轨道快速自主估计深空自主导航最主要的功能是通过获取的多源导航信息，快速确定深空探测器当前时刻的空间状态，并给出下一周期内探测器的轨道。目前工程上应用最多的导航滤波器是扩展卡尔曼滤波器。对于深空探测器而言，考虑动力学系统非线性特性的前提下，寻找合适的多源信息《飞行器系统仿真与CAD》复习提纲融合与快速估计方法，以提高探测器状态的估计精度，尽量降低算法运算负担，保证自主导航与控制系统实时性与快速性，是该方向的一项主要研究内容。（3）深空轨道快速规划与自主机动执行深空探测器轨道快速规划与自主机动是指在不依赖地面的情况下，根据导航系统获得的航天器位置和姿态信息，在轨完成多约束条件下未来某段时间内飞行任务轨道的规划，并设计机动实施策略，以提高探测器的应急能力，减少探测器对地面的依赖。如何充分考虑深空探测器动力学以及各