一种导弹飞行动力学与控制的通用仿真系统及方法与流程

本发明涉及一种仿真方法，特别是一种导弹飞行动力学与控制的仿真系统及仿真方法。

背景技术

随着计算机技术的飞速发展，利用计算机技术进行导弹飞行动力学与控制的仿真分析变得可行及普遍。目前，高校以及相关科研机构在进行仿真及仿真分析领域的相关研究时，缺乏统一的研究平台，验证某一特定领域新的成果及算法的时候，前期往往需要做很多重复的准备工作，比如搭建动力学仿真模型、建立飞行器模型、建立环境模型等。具体来讲，一般研究及试验流程就是：在matlab中利用simulink模块搭建飞行器仿真模型，设定特定的飞行参数，通过matlab内部的计算，然后将仿真结果显示到人机交互界面上；如果研究涉及到更加复杂的仿真分析，需要大量仿真计算，以上操作将更加复杂。如此繁琐而冗余的工作占据了研究人员大量的时间和精力，中间的任何一个环节出现问题，排查错误也会非常困难和耗时耗力。

以上种种问题，使得相关领域已有的成果各自独立，难以实现资源共享、模型复用，导致科研人员做了大量重复而低效的劳动。因此，为了更加快捷简便的进行导弹飞行动力学与控制仿真分析，一套新型的导弹飞行动力学与控制的通用仿真软件系统的设计具有重要的价值和意义。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种导弹飞行动力学与控制的通用仿真系统及方法，可以复用已有仿真模型及数据，高效快速地进行仿真分析，减轻科研人员的劳动量，实现相关领域内资源的共享。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种导弹飞行动力学与控制的通用仿真系统，包括面向用户用于输入仿真要素的客户端和用于进行仿真分析计算的服务端，客户端与服务端之间通过远程调用方式进行交互。

上述一种导弹飞行动力学与控制的通用仿真系统，所述客户端包括用于管理仿真分析计算所需要的各种类型对象的对象管理模块、建立特定工程的想定模块、用于对仿真任务进行分析评估的仿真分析任务模块以及建立客户端与服务端联系的任务计算调度模块。

上述一种导弹飞行动力学与控制的通用仿真系统，所述对象管理模块中的对象类型包括飞行器对象、gnc对象和环境对象。

上述一种导弹飞行动力学与控制的通用仿真系统，所述服务端包括计算服务器，计算服务器搭建导弹飞行动力学与控制仿真的面向对象的框架，框架运用面向对象仿真技术对导弹飞行动力学与控制软件所包含的不同模块进行类的构建；框架采用对象的方式，对计算中涉及的要素进行了抽象，抽象的要素互相配合形成飞行器动力学仿真框架。

一种导弹飞行动力学与控制的通用仿真方法，具体包括以下步骤：

a.组建相互调用的客户端设备和服务端设备；

b.在客户端设备中新建仿真分析所需要的对象；

c.建立想定任务，通过任务，设置向导，配置任务参数；

d.调用服务端设备进行任务的计算，并调整计算任务参数，然后开始仿真；

e.仿真结束后，通过服务端设备查看仿真分析结果。

上述一种导弹飞行动力学与控制的通用仿真方法，步骤b中所述的对象包括飞行器对象、gnc对象和环境对象。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明根据导弹飞行动力学与控制仿真分析的专业特点，采用任务驱动模式下“场景+对象”自由组合式运行系统，提出了以仿真分析任务为中心、通过任务关联仿真分析所需飞行器对象、gnc对象、环境对象，并将仿真分析所需的算法、模型和数据打包形成独立计算单元，然后通过系统调度计算服务器，进一步进行仿真分析计算的方法，来实现高效快速地进行仿真分析。

本发明符合航空航天飞行器仿真分析科研特点，使科研人员能集中精力关注模型、算法、各项数据参数等专业上的事情，减少了冗余工作，能够使相关领域内的仿真模型及数据得以复用，实现了资源的共享，减轻了科研人员的劳动量，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明所述仿真系统的结构框图；

图2为本发明所述仿真方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

一种导弹飞行动力学与控制的通用仿真系统，其结构如图1所示，包括面向用户用于输入仿真要素的客户端和用于进行仿真分析计算的服务端，客户端与服务端之间通过远程调用方式进行交互。客户端和服务端相互分离，这种方式保持客户端和服务端各自独立，有利于系统框架的稳定和扩展。

客户端包括用于管理仿真分析计算所需要的各种类型对象的对象管理模块、建立特定工程的想定模块、用于对仿真任务进行分析评估的仿真分析任务模块以及建立客户端与服务端联系的任务计算调度模块。

本发明根据导弹飞行动力学与控制仿真分析的专业特点，将仿真分析涉及到的各种要素分解、对应为系统内各种对象，其中对象管理模块用于管理仿真分析计算所需要的各种类型对象。所述对象的类型包括飞行器对象、gnc对象和环境对象。对于每一种对象数据的管理，系统提供了数据导入、导出功能，方便对象数据的保存、复用和共享，本发明利用对象管理模块，当有新的飞行器、gnc、环境模型出现时，可以非常方便的将新的数据加入到系统内，在仿真分析的时候，也能非常方便的调整各个对象的参数，试验仿真分析结果。

飞行器对象主要包括导弹对象，在需要的情况下可以扩展为火箭等其他对象。导弹对象包括导弹各级参数、弹头参数、导弹控制对象关联设置等。对象管理模块用于对飞行器对象进行管理时，可以实现以下功能：浏览飞行器对象、新建飞行器对象、删除飞行器对象、编辑飞行器对象、导入飞行器对象、导出飞行器对象。

在客户端界面中，用户可以查看系统内保存的所有飞行器对象的概要信息（包括飞行器名称、概要说明、创建时间等）。在客户端界面通过点击新建按钮能跳转到飞行器明细信息界面，录入要新建飞行器的数据；选择某个飞行器对象点击删除按钮能从系统内删除选中飞行器对象数据；选择某个飞行器对象点击编辑按钮能跳转到飞行器明细界面，修改飞行器数据；选择某个飞行器对象点击导出按钮，能从系统内将飞行器数据导出成文件；点击导入按钮，选择要导入的飞行器数据文件，能从外部将飞行器数据导入系统。当飞行器的某些关键参数发生变化的时候，不需要重新将所有飞行器参数录入一遍，可以通过导入原来飞行器的数据，修改关键参数，就可以形成一个新的飞行器对象，省时省力。上述飞行器明细信息主要包括导弹各级参数和弹头参数，导弹各级参数包括总体参数、气动特性参数、惯量数据参数、动力系统数据，弹头参数包括弹头总体参数、弹头气动特性参数、关机点参数。导弹飞行器明细信息能选择配置gnc对象组成一个完整的飞行器，用于仿真分析计算。

gnc对象包括各级火箭瞬时平衡假设制导控制数据，当然，也可以根据需要扩展其他数据。对象管理模块用于对gnc对象进行管理时，可以实现以下功能：浏览gnc对象、新建gnc对象、删除gnc对象、编辑gnc对象、导入gnc对象、导出gnc对象。

在客户端界面中，用户可以查看系统内保存的所有gnc对象的概要信息（包括gnc名称、概要说明、创建时间等）。在客户端界面通过点击新建按钮能跳转到gnc明细信息界面，录入要新建gnc的数据。选择某个gnc对象点击删除按钮能从系统内删除选中gnc对象数据。选择某个gnc对象点击编辑按钮能跳转到gnc明细界面，修改gnc数据。选择某个gnc对象点击导出按钮，能从系统内将gnc数据导出成文件。点击导入按钮，选择要导入的gnc对象数据文件，能从外部将gnc数据导入系统。上述gnc明细信息能录入飞行时间、飞行程序数据，能与导弹飞行器进行关联，用于仿真分析计算。

环境对象包括地球环境，在需要的情况下，可以在系统内加入大气环境。地球环境包括扰动引力模型及模型数据；扰动引力模型分为基本模型及重构模型；基本模型包括球谐基本模型、点质量基本模型等多种模型；重构模型包括有限元重构模型、空间走廊重构模型等多种模型。系统具有可扩展性，有新扰动引力基本模型或者扰动引力重构模型类型的时候，可以集成进入系统。

对象管理模块用于对每一种扰动引力模型进行管理时，可以实现以下功能：浏览扰动引力模型对象、新建扰动引力模型对象、删除扰动引力模型对象、编辑扰动引力模型对象、导入扰动引力模型对象、导出扰动引力模型对象。

在客户端界面中，用户可以查看系统内保存的所有该种类型扰动引力模型对象概要信息（包括模型名称、概要说明、创建时间等）。在客户端界面通过点击新建按钮能跳转到引力模型明细信息界面，录入要新建扰动引力模型的数据。选择某个扰动引力模型对象点击删除按钮能从系统内删除选中扰动引力模型对象数据。选择某个扰动引力模型对象点击编辑按钮能跳转到扰动引力模型界面，修改扰动引力模型数据。选择某个扰动引力模型对象点击导出按钮，能从系统内将扰动引力模型数据导出成文件。点击导入按钮，选择要导入的扰动引力模型对象数据文件，能从外部将扰动引力模型数据导入系统。

所述扰动引力模型明细信息能录入模型类型、模型名称、模型说明、发布单位、发布时间、模型具体对应的参数数据。扰动引力模型数据能与任务关联，用于仿真分析计算。

想定模块用于针对某一特定实验目的建立一个想定。想定是一个特定的工程，下面包含多个计算任务（计算任务是实现为某个试验目的进行的模拟仿真）。想定模块包括新建想定、编辑想定、删除想定、导入想定、导出想定等功能。

在客户端界面中，用户可以查看系统内保存的所有想定数据的概要信息（包括想定名称、概要说明、创建时间等）。在客户端界面通过点击新建按钮能跳转到想定编辑界面。选择某个想定数据点击删除按钮能从系统内删除选中想定数据。选择某个想定数据点击编辑按钮能跳转到想定编辑界面。选择某个想定数据点击导出按钮，能从系统内将想定数据及其包含的计算任务数据导出成文件。点击导入按钮，选择要导入的想定数据文件，能从外部将想定数据及其包含的计算任务数据导入系统。在客户端的想定编辑界面，能添加仿真、分析、评估等类型任务；可以删除已经加入想定的任务；可以修改想定的名称；可以修改任务的名称；对于需要微调某些参数，对比参数差异带来的不同仿真结果的需求，还能复制任务；复制任务完成之后，可以修改任务参数；想定编辑提供任务的导入、导出功能；通过导出任务功能菜单，能将任务数据导出成文件；通过导入任务功能菜单，能将外部任务数据导入系统。

仿真分析任务模块对应各种仿真、分析评估任务，例如弹道计算、多弹道计算、弹道设计、扰动引力场对弹道影响特性分析、扰动引力重构模型对弹道影响评估等任务。系统具有可扩展性，有新的任务类型出现时，可以将新的任务集成进入系统。

仿真分析任务主要分为三部分：任务输入参数、任务输出结果、任务关联对象。任务参数为仿真分析任务本身的参数；关联对象为仿真分析任务需要关联使用的对象，比如飞行器对象、环境对象；任务输出结果用于展示仿真分析任务的结果数据，平台提供了表格、二维图表、三维图表等多种数据可视化方式，使用户方便查看仿真分析结果数据，提高工作效率。

任务计算调度模块调度想定内的仿真分析任务，将计算任务所需要的所有参数准备好，通过远程调用的方式调用计算服务器接口，反映计算状态，并将计算结果显示。系统能配置多台服务端设备，任务计算调度模块根据配置调用发布在高速局域网内的服务端设备。对于需要大量仿真的任务（比如多弹道计算任务，需要仿真多条飞行器飞行轨迹，最后将飞行器落点数据进行汇总分析），任务计算调度模块具有分布式计算功能，能将仿真计算分发到多个计算服务器，进行并行仿真，提高计算速度、减少仿真时间。分布式并行仿真设计对于想定内的任务，可以选择进行仿真或者不进行仿真，被选中的任务将由任务计算调度模块调度进行仿真，一次仿真能计算多个任务，在仿真任务计算过程中，系统能显示当前正在计算的是哪个任务、当前任务计算用时、所有任务计算总用时。计算结束后，能显示所有任务计算状态（计算成功、计算失败、用户终止计算）。

服务端包括计算服务器，计算服务器搭建导弹飞行动力学与控制仿真的面向对象的框架，框架运用面向对象仿真技术对导弹飞行动力学与控制软件所包含的不同模块进行类的构建；框架采用对象的方式，对计算中涉及的要素进行了抽象，抽象的要素互相配合形成飞行器动力学仿真框架。在导弹飞行动力学与控制仿真的面向对象框架的基础上，根据计算任务的不同，封装了不同的远程调用接口，每个计算任务对应独立的接口，这些接口提供给上层模块进行调用。上述抽象的要素主要包括：飞行器类、发动机类、导航类、制导类、控制类、地球类、动力学模型类、优化算法类、飞行轨迹设计类以及状态变量类等。本发明由于采用了面向对象编程，并且算法框架经过了良好的设计，使得功能扩展非常方便。

本发明针对航导弹飞行动力学与控制的仿真分析技术领域，归纳总结了导弹飞行动力学仿真分析中的各种要素，进行了专门设计，创新提出了飞行器对象、gnc对象、环境对象等对象和概念，使用户能快速录入、修改各项仿真模型及仿真参数。系统提供了上述数据的保存、导入、导出功能，使得各种数据能得到有效保存、复用。对于各个仿真分析任务，平台提供了友好的操作界面，丰富的数据可视化界面，是用户从繁琐冗余的工作中解放出来，专注于仿真分析研究工作。

系统的界面和计算服务器是分布式的，彼此直接通过远程调用的方式进行交互，使得界面和算法模块相对独立，有利于系统的稳定和扩展；对于需要大量仿真计算的任务，系统提供了可动态扩展的分布式仿真计算能力，能根据需要扩展计算能力，提高仿真分析计算速度。本发明所述的系统操作简单，使用方便，大大提高了科研工作效率，降低了工作复杂度和对操作人员的要求。

一种导弹飞行动力学与控制的通用仿真方法，具体包括以下步骤：

a.组建相互调用的客户端设备和服务端设备；并在客户端设备安装软件，根据实际需要安装1台到多台计算服务器，建立仿真系统。

b.在客户端设备中新建仿真分析所需要的对象。所述的对象包括飞行器对象、gnc对象和环境对象。

新建飞行器对象时，在客户端的导弹参数信息编辑界面编辑，输入导弹基本属性信息、导弹各级参数、弹头参数，关联本导弹使用的gnc对象。点击保存按钮，生成新的导弹对象数据。

新建gnc对象时，在客户端的gnc参数信息编辑界面编辑，输入gnc基本属性信息、瞬时平衡假设控制制导数据。点击保存按钮，生成新的gnc对象数据。

新建环境对象时，在通过对象管理菜单，打开环境对象管理界面，环境对象管理界面的地球环境下有多种类型扰动引力模型，对于每种类型的扰动引力模型，可以新建该种类型下的模型数据供仿真分析时使用。

c.建立想定与任务，通过任务，设置向导，配置任务参数。具体实现时，通过弹道计算任务设置向导，可以配置任务所需要的导弹对象、环境对象数据。

d.调用服务端设备进行任务的计算，并调整计算任务参数，包括发射参数、偏差设置、计算设置等，在任务管理对象中，可以选择弹道计算任务关联的飞行器对象、环境对象，即本次仿真所使用的导弹数据、环境数据，飞行器对象、环境对象数据为步骤b中建立的数据，然后开始仿真。

e.仿真结束后，通过服务端设备查看仿真分析结果。