[科普中国]-实时飞行仿真

背景

飞行控制系统是现代无人航空、航天器的核心子系统之一，飞行控制系统采用的飞行控制、导航与制导和飞行管理等技术极其复杂。飞行仿真试验是在地面全面检验和验证飞行控制系统设计正确性和鲁棒性的关键环节，将为无人航空、航天器实际飞行的安全和成功提供保证。现代无人飞行器飞行控制系统对实时飞行仿真系统的功能、性能特别是实时性指标有着更高的要求。1

实时性是无人机飞行器实时飞行仿真系统的基本性能，也是保证仿真结果高可信度的重要前提，仿真软件的实时性性能直接关系到仿真结论的可信性。飞行器实时飞行仿真系统的实时性主要由硬件平台的计算性能、操作系统的实时性能以及仿真软件的程序代码的质量决定的。2

仿真系统功能与性能要求飞行仿真系统的主要功能包括：无人飞行器动力学、运动学特性模拟与飞行环境特性模拟，机载传感器飞行运动环境模拟传感器特性模拟，飞行仿真数据显示与记录、地面检测与遥控/遥测终端模拟，输入输出通道接口驱动等。

飞行仿真系统的主要性能指标包括：实时性、仿真精度、接口类型和扩展能力等。其中不同功能所要求实时性不同，从 0.1 毫秒（传感器特性模拟）到 1 毫秒（动力学、运动学特性模拟）不等；系统数值仿真精度为2的负64次方；仿真系统要有丰富的接口与被测飞行控制系统、三轴电动转台、动静压模拟器、GPS 仿真器等进行实时数据交换。除此之外，仿真系统要具有友好的人机界面，具有三维视景动画实时显示能力。

综上所述，实时性高、接口丰富和人机界面好是本系统的特点，其中最为关键的问题是如何确保系统的实时性。根据飞行仿真系统功能划分与性能平衡的设计原则，采用分布式结构模式。在这种结构模式下系统的实时性指标将分解到各功能节点和实时网络中，通过合理设计解决特性实时性问题。根据这一设计思想，将仿真系统分为无人机动力学、运动学特性（含飞行环境特性模拟）仿真节点，输入/输出信号处理（含传感器的仿真）节点，飞行全程综合实时显示与数据记录节点，电动转台与动静压模拟器节点，地面检测与药控/遥测终端模拟节点，高速数据交换网络和接口驱动与系统供电子系统等几部分。

系统实时性设计采用分布式体系结构后各功能节点（子系统）的实时性和高精度计算可以通过采用高性能 CPU、大容量内存、智能I/O 接口卡和硬件定时器等组成的 PC 计算机或工业控制计算机（IPC）硬件得到保证。在此前提下作为各功能节点之间数据传输的纽带的计算机网络成为镇各系统实时性的瓶颈。

以往的分布式仿真系统一般采用以太网进行通信，其信息传输机制为带有冲突检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD）。这种通信方式使信息发送时刻和传输时间不确定，以100M的以太网为例，其报文传输时间为ms级，因此对于实时性要求较高的仿真系统就无法使用。采用广播内存光纤网络设计方案可以解决这一问题。广播内存具有70兆字节/秒的数据传输速率、可以预先精确计量的数百个纳秒读写延迟和几个微秒的读写操作延迟等性能指标，可以确保仿真系统信息交互的实时性，克服系统实时性瓶颈。