對航天器仿真技術發展趨勢的思考

包為民

中國航天科技集團公司,北京 100037

1 概述

航天仿真技術是指仿真技術與航天工程技術的結合，為航天器、航天運輸系統和導彈武器系統的設計分析、性能評估、體系對抗、指揮控制及訓練、故障診斷、運行管理等提供數學或半實物的模擬驗證手段和平臺。航天仿真技術可分為航天工程仿真和航天器系統仿真兩大類。其中，航天工程仿真是在總體層面對航天器的設計進行分析、驗證，是對航天器綜合性能及效能進行評估的一種重要手段，目前該項技術總體上還處于初級階段。但在某些領域如攻防對抗體系、多武器平臺仿真中已經取得了一些階段性成果，并在裝備系統定型中得到了初步的應用。其面臨的主要問題是仿真模型的準確度和顆粒度相互矛盾，以及飛行剖面精確綜合建模,特別是總體級的全系統多物理場仿真，可實現全系統綜合性能效能的驗證與評估，但目前理論方法和應用技術都有很多問題需要解決，在航天工程的應用仍處于探索階段。航天器系統仿真可以分為2類：1)已經比較成熟的單個系統級仿真，廣泛應用于型號和研制過程中，主要用來考核驗證系統設計的正確性，如：航天器控制系統半實物仿真和數學仿真均屬此類；2)近十年迅速發展的2個飛行器的系統級多自由度的聯合系統仿真，實現了大系統間匹配行為的驗證，例如：我國的“天宮一號”與“神舟八號”的交會對接任務就是通過該種仿真進行系統匹配和正確性驗證。

2 航天器仿真技術體系的需求與構想

航天器仿真就是在模擬真實工作條件和空間自然環境下對其設計方案的正確性、協調性進行分析和驗證，為航天器、導彈武器的設計分析、定型和運行提供支撐。目前發達國家仿真技術已實現了對產品生命周期的支撐，如美國航天器仿真技術的應用已覆蓋概念設計、詳細設計、制造、使用等全過程。另外，傳統的仿真手段和能力已經不能滿足新型航天器的需求，仿真技術亟待創新。當前，我們需要研究的具體內容有：如何解決全過程、多因素、強耦合航天器的仿真技術；由于受飛行子樣的限制，設計包絡仍是依靠仿真手段進行驗證的；為了降低航天器飛行驗證的風險，必須在地面試驗的基礎上，利用地面試驗的數據和飛行數據進一步修正仿真模型，開展充分的航天器仿真試驗，提高系統仿真的置信度。

(1)航天器性能仿真技術的作用

在航天器設計方案論證階段，航天器性能仿真技術的主要作用是根據總體任務要求，分解各系統的指標要求，各系統根據指標要求建立數學/仿真模型，并且開展系統級驗證；同時，總體根據各系統間的耦合模型建立飛行器總體級、多學科仿真驗證模型，重點開展各分系統間的耦合性能驗證，驗證總體指標分解的正確性，并評估飛行器性能是否滿足方案階段任務書要求。在工程研制(初樣、試樣)階段，根據各分系統半實物仿真試驗的結果，構建總體層面的半實物仿真驗證平臺，并圍繞飛行包絡內的特定任務，開展總體層面的全系統緊耦合仿真試驗，1)可以檢驗各系統間的匹配性和性能指標的合理性，2)也可以驗證總體性能指標的可達性。總之，仿真技術已滲透到航天器研制的各個階段，已成航天器設計與評價的主要手段，發揮著越來越重要的作用。如圖1給出了仿真技術在航天工程研制各階段應用的示意圖。

圖1 航天器研制與仿真技術

(2)航天器仿真技術體系的需求與構想

航天器仿真技術體系主要包括分系統仿真與建模技術、多物理場耦合的總體仿真技術以及高效協同的仿真技術等。其中，分系統仿真主要考慮氣動力仿真建模、大氣環境仿真建模、空間環境仿真建模、動力系統仿真建模、結構系統仿真建模、控制系統單機仿真建模和飛行器動力學仿真建模等；多物理場耦合的總體仿真主要考慮了總體/氣動布局/控制間耦合、氣動力/熱耦合、氣動力/熱/結構耦合和力/熱/結構/控制(伺服)耦合等；高效協同的仿真技術涉及快速、并行計算技術，分布、異構協同計算技術及耦合加載技術3部分。在總結50年航天仿真發展技術的基礎上，運用航天器仿真技術，以高性能計算集群為基礎，構建航天器工程仿真體系，實現航天器多系統、多物理場耦合、分布式、異構集成協同仿真是未來航天仿真技術發展的重要方向，如圖2所示。通過這種仿真平臺可以把各個分系統的仿真模型集成在一起進行航天器總體級的仿真，實現航天器全系統仿真、綜合性能評估、故障遠距離仿真及對策驗證、運行遠距離服務與支撐等。

圖2 航天器多系統、分布式協同仿真平臺

(3)航天器仿真試驗體系的需求與構想

從方法學的角度來看，航天器仿真試驗需要進行4個方面的研究：1)研究分層逐級驗證與總體集成協同驗證相結合的方法，即分系統的驗證及其與總體的結合；2)采用機理模型和專家經驗相結合的方法，確定試驗狀態，驗證航天器設計的飛行包絡；3)通過智能優化和云仿真技術，依托高性能計算及網絡技術的支撐，建立高效的仿真試驗調度方法；4)通過研究多物理場耦合加載試驗方法，對試驗手段進行創新。

以總體性能半實物仿真試驗系統的構建為例，首先需要解決分布式計算及調度管理問題，需要采用大型高性能計算系統的計算資源，同時還要進行調度管理協同軟件的開發；其次是總體仿真模型問題，如規劃總體性能仿真平臺，建立多學科耦合仿真模型；然后要考慮仿真模擬設備的問題，主要包括多自由度運動模擬裝置、目標及環境模擬裝置、多物理場耦合模擬、測控信道模擬等；最后是實物產品的開發，主要由星/箭/導彈的系統、測發控系統、測控系統和信息支撐等構成多學科多物理場耦合的總體性能半實物仿真系統，實現全過程、全系統的分布式高效協同的仿真試驗。

3 航天器仿真涉及的關鍵技術

在航天器仿真技術發展的過程中，涉及到若干關鍵技術需要解決，主要包括多物理場耦合復雜系統建模技術、虛擬飛行試驗設計、驗證技術仿真模型校核、辨識及修正航天器仿真共性支撐技術等。

(1)多物理場耦合復雜系統建模技術

多物理場耦合復雜系統建模就是要研究航天器在真實工作環境下的物理模型問題，即：總體、氣動和控制耦合，氣動力/熱耦合，氣動力/熱/結構耦合，力/熱/結構/控制(伺服)耦合，還有多體運動、復雜結構等建模問題。面對這種復雜的多物理耦合關系，通過建模來刻畫或描述飛行器實際飛行狀態的物理行為，提高仿真驗證的準確度。多物理場耦合關系示意如圖3。

(2)虛擬飛行試驗設計、驗證技術

基于航天器仿真試驗平臺進行航天器飛行包絡的數學及半實物仿真試驗，即航天器虛擬飛行試驗。虛擬飛行試驗可對飛行器性能、技術指標和綜合效能進行評估，同時虛擬飛行試驗通過多學科、多物理場耦合建模和高效能仿真等技術，實現多維度、全系統、全剖面、全流程的飛行模擬仿真，并通過偏差狀態組合、故障模式注入仿真，對系統的魯棒性、健壯性進行綜合評估，最大限度地在飛行前驗證設計的正確性，并挖掘系統的潛在風險。構建層次化的虛擬飛行試驗應用體系，將大子樣虛擬試驗與小子樣地面試驗和飛行試驗等結合，實現仿真試驗、地面實物試驗、飛行試驗的逐級驗證和修正，提高虛擬仿真實驗的真實性，最終形成虛實結合的航天器總體性能驗證和評估體系，如圖4所示。

圖3 航天器多物理場耦合系統

圖4 航天器總體性能驗證和評估體系

(3)仿真模型校核、辨識及修正

仿真模型校核、辨識及修正也是航天器仿真需要解決的關鍵技術之一。要解決這個問題，首先需要對仿真模型進行物理及數學層次的驗模，確保模型符合航天器的主要物理特征；其次通過對實物產品地面試驗數據的分析，進一步驗證/修正仿真模型；最后根據實際飛行試驗數據進行分析對比，開展模型參數辨識，評估仿真模型的正確性，并進一步完善和修正仿真模型。通過這些手段，可以將地面仿真的數據和飛行數據作為武器評估的一個重要依據，從而減少飛行試驗的風險。

(4)航天器仿真共性支撐技術

航天器仿真共性支撐技術主要包括異構軟件協同技術、仿真環境支撐技術和虛擬環境技術3部分。其中，異構軟件協同技術主要研究多學科協同建模與仿真的方法，通過異構軟件和模型的協同技術，建立協同仿真模型集成框架，實現多學科異構仿真模型的多機并發協同仿真；仿真環境支撐技術主要研究基于分布式計算環境、高性能計算環境、半實物仿真環境的多學科、一體化、分布式、協同仿真模型的運行支撐平臺；虛擬環境技術是指對自然環境和人為對抗環境的仿真建模，模擬環境效應的虛擬現實、可視化技術等。

此外，現代信息技術的迅猛發展也為航天器仿真提供了新的機遇和挑戰，例如基于數值算法和并行技術的高效仿真建模方法，CPU與GPU異構的高性能計算加速技術，云計算的系統仿真優化技術等方法，如圖5所示，為航天器仿真技術的迅速發展提供了可能。

圖5 現代信息技術在航天器仿真中的應用

4 結論

當前，航天事業的發展對仿真技術提出了新的迫切需求，發展航天器仿真技術是提升航天工程系統設計、驗證能力的最有效手段之一。現代信息技術的進步為航天仿真技術發展奠定了堅實的技術基礎，但是新一代航天器仿真技術的發展仍面臨眾多基礎問題與技術挑戰。突破航天仿真的核心技術，實現仿真技術與航天系統工程的有機結合，必將推動未來航天裝備建設的跨躍式發展。