一种基于实时遥测数据的运载火箭数字伴飞系统和方法与流程

本发明属于航天产品系统仿真领域，涉及一种基于实时遥测数据的运载火箭数字伴飞系统和方法。

背景技术：

1、运载火箭飞行过程中，地面人员需要开展飞行中判读，监测各系统关键设备重要参数，评估火箭飞行状态是否正常，辅助开展安控决策、异常情况分析、入轨精度评定等工作。飞行中判读信息的全面性、准确性与否直接影响地面人员对火箭状态的掌控，进而影响决策结果。因此，飞行中判读工作在火箭发射任务中至关重要。

2、传统上的飞行中判读，仅依靠遥测数据开展，支持监测可直接测量获取的数据，包括位置、速度、姿态等动力学参数，涡轮泵转速、喷前压力等发动机参数。对于动压、攻角、质量等无法直接测量的关键数据，传统方法难以监测，导致监测参数不够全面，不便于地面人员飞行中判读和决策。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于实时遥测数据的运载火箭数字伴飞方法，跟踪准确关键时序，提高仿真模型置信度，提升虚实融合的试验验证能力及飞行任务保障能力

2、本发明解决技术的方案是：一种基于实时遥测数据的运载火箭数字伴飞系统，该系统包括弹道仿真模型、动力仿真模型、质量仿真模型、气动仿真模型、环境仿真模型、时序模型、触发修正模型；

3、弹道仿真模型，在每个仿真步长，根据发动机推力、气动力、地球引力、质量特性参数、关键时序动作，按动力学方程和运动学方程，采用积分的方法计算得到火箭飞行的质心运动位置、质心运动速度、飞行姿态；响应修正消息，立即将质心运动位置、质心运动速度、飞行姿态更新为遥测数据中相应的值，在下一个仿真步长，采用更新后的值进行积分运算；

4、动力仿真模型，在每个仿真步长，根据发动机开关机动作、发动机内弹道参数、质心运动位置所对应的大气环境信息，计算得到运载火箭飞行过程中的发动机推力、贮箱氧化剂剩余质量、贮箱燃烧剂剩余质量；

5、质量仿真模型，在每个仿真步长，，响应分离动作、发动机开关机动作，确定参与质量计算的部段，对运载火箭各部段进行质量特性参数插值计算并汇总为运载火箭质量特性参数；质量特性参数包含质量、质心位置和转动惯量；

6、气动仿真模型，在每个仿真步长，根据分离动作、运载火箭气动特性参数，利用大气环境信息、质心运动速度、飞行姿态，计算运载火箭飞行过程中受到的气动力；

7、环境仿真模型，在每个仿真步长，根据质心运动位置，预设的地球大气模型、引力场模型，计算运载火箭质心运动位置对应的地球引力和大气环境信息，所述大气环境信息包括大气压力、大气密度、大气温度；

8、时序模型，在每个仿真步长，根据预设的飞行时序和实时遥测数据，判断关键时序动作是否发生，采用离散事件消息，模拟关键时序动作；

9、触发修正模型，根据实时获取的运载火箭遥测数据，判断弹道仿真模型是否需要修正，需要修正时，发送修正消息至弹道仿真模型。

10、优选地，所述弹道仿真模型还计算并输出地心距、射程、攻角、侧滑角和轨道六根数；动力仿真模块还计算并输出发动机秒耗量；质量仿真模型还计算并输出贮箱液位高；气动仿真模型还计算并输出动压、总攻角、热流值。

11、优选地，所述触发修正模型，采用动态切换标志字标识遥测数据是否满足修正条件，再根据触发参数，判断动态切换标志字是否满足触发条件，采用相应的触发输出模式，将修正消息发送至弹道仿真模型。

12、优选地，所述动态切换标志字标识遥测数据是否满足修正条件的方法为：

13、对遥测数据进行合理性判断，如果遥测数据在合理范围内，则认为遥测数据满足修正条件，将动态切换标志字设置为1，否则，动态切换标志字设置为0。

14、优选地，触发修正模型在对遥测数据进行合理性判断之前，先对实时获取的运载火箭遥测数据进行剔除野值。

15、优选地，所述触发参数，用于作为动态切换标志字是否满足触发条件的门限；

16、所述触发条件，包括上升触发、下降触发、上升或下降触发三种；上升触发条件是指当前动态切换标志字大于触发参数，且前一仿真步长动态切换标志字小于触发参数；下降触发条件是指当前动态切换标志字小于触发参数，且前一仿真步长动态切换标志字大于触发参数；

17、所述触发输出模式，包括一次触发和持续触发两种，一次触发是指达到触发条件后，当前仿真步长输出修正消息，后续每个仿真步长不再重新判断动态切换标志字是否满足触发条件，且不输出修正消息；持续触发是指动态切换标志字达到触发条件时，当前仿真步长输出修正消息，后续每个仿真步长重新判断动态切换标志字是否满足触发条件，根据判断结果输出修正消息。

18、优选地，所述弹道仿真模型、动力仿真模型、质量仿真模型、气动仿真模型、环境仿真模型包括输入参数input、输出参数output、状态参数state、事件响应接口event、消息message；

19、输入参数input为模型数学描述中的输入参数；

20、输出参数output为模型数学描述中的输出参数；

21、状态参数state为模型数学描述中的状态参数；

22、消息message，包括模型主动发出消息，还包括其它模型发出，本模型响应的消息；

23、事件响应接口event，以回调函数形式实现，定义了模型如何响应接收到的消息。

24、优选地，时序模型，将关键时序动作定义为离散事件消息，添加进待注入消息列表中，待注入消息列表中包含多条离散事件消息及其对应的消息发送条件；接收遥测数据，通过遥测数据和当前的飞行时刻，检索待注入消息列表，将满足发送条件的离散事件消息添加到当前消息注入列表中，并将当前消息注入列表中的离散事件消息同时发送给弹道仿真模型、动力仿真模型、质量仿真模型、气动仿真模型、环境仿真模型，直至当前消息注入列表所有离散事件消息发送完毕；

25、所述消息发送条件为关键时序动作之间的相对时间、关键时序动作执行时对应的飞行时刻或特定的遥测数据满足预设条件；离散事件消息包含唯一的序列号、消息名称；

26、所述离散事件消息与关键时序动作一一对应，离散事件消息发送时刻为关键时序动作的飞行时刻。

27、本发明的另一个技术方案是：一种基于实时遥测数据的运载火箭数字伴飞方法，该方法每个仿真步长并行执行如下步骤：

28、实时获取运载火箭遥测数据，根据预设的飞行时序和实时遥测数据，判断关键时序动作是否发生，采用离散事件消息，模拟关键时序动作；所述关键时序动作包括分离动作、发动机开关机动作；

29、进行弹道仿真：根据发动机推力、气动力、地球引力、质量特性参数、关键时序动作，按动力学方程和运动学方程，采用积分的方法计算得到火箭飞行的质心运动位置、质心运动速度、飞行姿态；

30、进行动力仿真：根据发动机开关机动作、发动机内弹道参数和质心运动位置所对应的大气环境信息，计算得到运载火箭飞行过程中的发动机压力、发动机推力；

31、进行质量仿真：响应分离动作、发动机开关机动作，确定参与质量计算的部段，对运载火箭各部段进行质量特性参数插值计算并汇总为运载火箭质量特性参数；质量特性参数包含质量、质心位置和转动惯量；

32、进行气动仿真：根据分离动作、运载火箭气动特性参数，利用大气环境信息、质心运动速度、飞行姿态，计算运载火箭飞行过程中受到的气动力；

33、进行环境仿真：根据质心运动位置，预设的地球大气模型、引力场模型，计算运载火箭飞行过程中受到的地球引力、大气压力、大气密度、大气温度。

34、优选地，在每个仿真步长还执行如下步骤：根据实时获取的运载火箭遥测数据，判断弹道仿真模型是否需要修正，需要修正时，待本仿真步长的弹道仿真、动力仿真、质量仿真、气动仿真、环境仿真均执行完之后，将弹道仿真所得到的质心运动位置、质心运动速度、飞行姿态采用获取的遥测数据中对应的值更新。

35、优选地，采用动态切换标志字标识遥测数据是否满足修正条件，再根据触发参数，判断动态切换标志字是否满足触发条件，再根据触发输出模式，确定弹道仿真模型是否需要修正。

36、优选地，所述动态切换标志字标识遥测数据是否满足修正条件的方法为：

37、对遥测数据进行合理性判断，如果遥测数据在合理范围内，则认为遥测数据满足修正条件，将动态切换标志字设置为1，否则，动态切换标志字设置为0。

38、优选地，所述触发参数，用于作为动态切换标志字是否满足触发条件的门限；

39、所述触发条件，包括上升触发、下降触发、上升或下降触发三种；上升触发条件是指当前动态切换标志字大于触发参数，且前一仿真步长动态切换标志字小于触发参数；下降触发条件是指当前动态切换标志字小于触发参数，且前一仿真步长动态切换标志字大于触发参数；

40、所述触发输出模式，包括一次触发和持续触发两种，一次触发是指达到触发条件后，认为当前仿真步长弹道仿真模型需要修正，后续每个仿真步长不再重新判断；持续触发是指动态切换标志字达到触发条件时，认为当前仿真步长弹道仿真模型需要修正，后续每个仿真步长重新进行判断。

41、优选地，触发修正模型在对遥测数据进行合理性判断之前，先对实时获取的运载火箭遥测数据进行剔除野值。

42、优选地，所述离散事件消息与关键时序动作一一对应，离散事件消息发送时刻为关键时序动作的飞行时刻。

43、本发明与现有技术相比的有益效果是：

44、(1)、本发明通过实时遥测数据获取飞行状态参数和飞行时序，并对弹道仿真模型进行实时修正，跟踪准确关键时序，提高仿真模型置信度，提升虚实融合的试验验证能力及飞行任务保障能力；

45、(2)、本发明在地面开展实时仿真计算分析，通过仿真模块补充计算无法直接遥测的飞行状态参数，包括地心距、射程、轨道六根数、发动机推力、全箭总质量、全箭质心位置、燃料剩余质量、动压、总攻角、热流值，丰富飞行中判读参数，提升对运载火箭飞行健康状态的监测能力，更好的支撑地面人员飞行中判读和决策。

46、(3)、本发明触发修正模型通过修正条件满足情况判断、触发条件满足情况判断以及触发输出模式配置，保证了触发修正消息准确高效的发送到弹道仿真模型；

47、(4)、本发明在生成动态切换标志字时，采用判断遥测数据是否在合理范围内的方法，避免了遥测数据不合理导致修正错误的问题，保证了遥测数据应用的可靠性；

48、(5)、本发明在对遥测数据进行合理性判断之前，先对实时获取的运载火箭遥测数据进行剔除野值，保证了仿真稳定可靠运行；

49、(6)、本发明所述触发参数、触发条件、触发输出模式可灵活配置，兼容多个型号不同的触发修正需求，具有较强的通用性；

50、(7)、本发明构建了统一的运载火箭数字伴飞模型输入输出规范，基于统一模型接口构建运载火箭数字伴飞模型，提升了模型的规范性和通用性，为各型号共享成熟可靠的通用模型奠定基础。

51、(8)、本发明时序模型采用消息列表的方式进行，以离散事件消息的形式影响弹道仿真模型、动力仿真模型、质量仿真模型、气动仿真模型、环境仿真模型的行为动作，不但能发送事先确定性时序(如点火起飞)，也能够发送具有复杂逻辑关系的时序，如时序间存在依赖关系(关机后分离)，或事件偶然发生(耗尽关机)，保证了时序发送的灵活性；

52、(9)、本发明通过将弹道仿真模型、动力仿真模型为机理模型；质量仿真模型、气动仿真模型、环境仿真模型为数据模型。，对专业模型计算进行了必要性简化，在保证模型精度的前提下，提升了运行效率。