对航天器仿真技术发展趋势的思考

包为民

中国航天科技集团公司,北京 100037

1 概述

航天仿真技术是指仿真技术与航天工程技术的结合，为航天器、航天运输系统和导弹武器系统的设计分析、性能评估、体系对抗、指挥控制及训练、故障诊断、运行管理等提供数学或半实物的模拟验证手段和平台。航天仿真技术可分为航天工程仿真和航天器系统仿真两大类。其中，航天工程仿真是在总体层面对航天器的设计进行分析、验证，是对航天器综合性能及效能进行评估的一种重要手段，目前该项技术总体上还处于初级阶段。但在某些领域如攻防对抗体系、多武器平台仿真中已经取得了一些阶段性成果，并在装备系统定型中得到了初步的应用。其面临的主要问题是仿真模型的准确度和颗粒度相互矛盾，以及飞行剖面精确综合建模,特别是总体级的全系统多物理场仿真，可实现全系统综合性能效能的验证与评估，但目前理论方法和应用技术都有很多问题需要解决，在航天工程的应用仍处于探索阶段。航天器系统仿真可以分为2类：1)已经比较成熟的单个系统级仿真，广泛应用于型号和研制过程中，主要用来考核验证系统设计的正确性，如：航天器控制系统半实物仿真和数学仿真均属此类；2)近十年迅速发展的2个飞行器的系统级多自由度的联合系统仿真，实现了大系统间匹配行为的验证，例如：我国的“天宫一号”与“神舟八号”的交会对接任务就是通过该种仿真进行系统匹配和正确性验证。

2 航天器仿真技术体系的需求与构想

航天器仿真就是在模拟真实工作条件和空间自然环境下对其设计方案的正确性、协调性进行分析和验证，为航天器、导弹武器的设计分析、定型和运行提供支撑。目前发达国家仿真技术已实现了对产品生命周期的支撑，如美国航天器仿真技术的应用已覆盖概念设计、详细设计、制造、使用等全过程。另外，传统的仿真手段和能力已经不能满足新型航天器的需求，仿真技术亟待创新。当前，我们需要研究的具体内容有：如何解决全过程、多因素、强耦合航天器的仿真技术；由于受飞行子样的限制，设计包络仍是依靠仿真手段进行验证的；为了降低航天器飞行验证的风险，必须在地面试验的基础上，利用地面试验的数据和飞行数据进一步修正仿真模型，开展充分的航天器仿真试验，提高系统仿真的置信度。

(1)航天器性能仿真技术的作用

在航天器设计方案论证阶段，航天器性能仿真技术的主要作用是根据总体任务要求，分解各系统的指标要求，各系统根据指标要求建立数学/仿真模型，并且开展系统级验证；同时，总体根据各系统间的耦合模型建立飞行器总体级、多学科仿真验证模型，重点开展各分系统间的耦合性能验证，验证总体指标分解的正确性，并评估飞行器性能是否满足方案阶段任务书要求。在工程研制(初样、试样)阶段，根据各分系统半实物仿真试验的结果，构建总体层面的半实物仿真验证平台，并围绕飞行包络内的特定任务，开展总体层面的全系统紧耦合仿真试验，1)可以检验各系统间的匹配性和性能指标的合理性，2)也可以验证总体性能指标的可达性。总之，仿真技术已渗透到航天器研制的各个阶段，已成航天器设计与评价的主要手段，发挥着越来越重要的作用。如图1给出了仿真技术在航天工程研制各阶段应用的示意图。

图1 航天器研制与仿真技术

(2)航天器仿真技术体系的需求与构想

航天器仿真技术体系主要包括分系统仿真与建模技术、多物理场耦合的总体仿真技术以及高效协同的仿真技术等。其中，分系统仿真主要考虑气动力仿真建模、大气环境仿真建模、空间环境仿真建模、动力系统仿真建模、结构系统仿真建模、控制系统单机仿真建模和飞行器动力学仿真建模等；多物理场耦合的总体仿真主要考虑了总体/气动布局/控制间耦合、气动力/热耦合、气动力/热/结构耦合和力/热/结构/控制(伺服)耦合等；高效协同的仿真技术涉及快速、并行计算技术，分布、异构协同计算技术及耦合加载技术3部分。在总结50年航天仿真发展技术的基础上，运用航天器仿真技术，以高性能计算集群为基础，构建航天器工程仿真体系，实现航天器多系统、多物理场耦合、分布式、异构集成协同仿真是未来航天仿真技术发展的重要方向，如图2所示。通过这种仿真平台可以把各个分系统的仿真模型集成在一起进行航天器总体级的仿真，实现航天器全系统仿真、综合性能评估、故障远距离仿真及对策验证、运行远距离服务与支撑等。

图2 航天器多系统、分布式协同仿真平台

(3)航天器仿真试验体系的需求与构想

从方法学的角度来看，航天器仿真试验需要进行4个方面的研究：1)研究分层逐级验证与总体集成协同验证相结合的方法，即分系统的验证及其与总体的结合；2)采用机理模型和专家经验相结合的方法，确定试验状态，验证航天器设计的飞行包络；3)通过智能优化和云仿真技术，依托高性能计算及网络技术的支撑，建立高效的仿真试验调度方法；4)通过研究多物理场耦合加载试验方法，对试验手段进行创新。

以总体性能半实物仿真试验系统的构建为例，首先需要解决分布式计算及调度管理问题，需要采用大型高性能计算系统的计算资源，同时还要进行调度管理协同软件的开发；其次是总体仿真模型问题，如规划总体性能仿真平台，建立多学科耦合仿真模型；然后要考虑仿真模拟设备的问题，主要包括多自由度运动模拟装置、目标及环境模拟装置、多物理场耦合模拟、测控信道模拟等；最后是实物产品的开发，主要由星/箭/导弹的系统、测发控系统、测控系统和信息支撑等构成多学科多物理场耦合的总体性能半实物仿真系统，实现全过程、全系统的分布式高效协同的仿真试验。

3 航天器仿真涉及的关键技术

在航天器仿真技术发展的过程中，涉及到若干关键技术需要解决，主要包括多物理场耦合复杂系统建模技术、虚拟飞行试验设计、验证技术仿真模型校核、辨识及修正航天器仿真共性支撑技术等。

(1)多物理场耦合复杂系统建模技术

多物理场耦合复杂系统建模就是要研究航天器在真实工作环境下的物理模型问题，即：总体、气动和控制耦合，气动力/热耦合，气动力/热/结构耦合，力/热/结构/控制(伺服)耦合，还有多体运动、复杂结构等建模问题。面对这种复杂的多物理耦合关系，通过建模来刻画或描述飞行器实际飞行状态的物理行为，提高仿真验证的准确度。多物理场耦合关系示意如图3。

(2)虚拟飞行试验设计、验证技术

基于航天器仿真试验平台进行航天器飞行包络的数学及半实物仿真试验，即航天器虚拟飞行试验。虚拟飞行试验可对飞行器性能、技术指标和综合效能进行评估，同时虚拟飞行试验通过多学科、多物理场耦合建模和高效能仿真等技术，实现多维度、全系统、全剖面、全流程的飞行模拟仿真，并通过偏差状态组合、故障模式注入仿真，对系统的鲁棒性、健壮性进行综合评估，最大限度地在飞行前验证设计的正确性，并挖掘系统的潜在风险。构建层次化的虚拟飞行试验应用体系，将大子样虚拟试验与小子样地面试验和飞行试验等结合，实现仿真试验、地面实物试验、飞行试验的逐级验证和修正，提高虚拟仿真实验的真实性，最终形成虚实结合的航天器总体性能验证和评估体系，如图4所示。

图3 航天器多物理场耦合系统

图4 航天器总体性能验证和评估体系

(3)仿真模型校核、辨识及修正

仿真模型校核、辨识及修正也是航天器仿真需要解决的关键技术之一。要解决这个问题，首先需要对仿真模型进行物理及数学层次的验模，确保模型符合航天器的主要物理特征；其次通过对实物产品地面试验数据的分析，进一步验证/修正仿真模型；最后根据实际飞行试验数据进行分析对比，开展模型参数辨识，评估仿真模型的正确性，并进一步完善和修正仿真模型。通过这些手段，可以将地面仿真的数据和飞行数据作为武器评估的一个重要依据，从而减少飞行试验的风险。

(4)航天器仿真共性支撑技术

航天器仿真共性支撑技术主要包括异构软件协同技术、仿真环境支撑技术和虚拟环境技术3部分。其中，异构软件协同技术主要研究多学科协同建模与仿真的方法，通过异构软件和模型的协同技术，建立协同仿真模型集成框架，实现多学科异构仿真模型的多机并发协同仿真；仿真环境支撑技术主要研究基于分布式计算环境、高性能计算环境、半实物仿真环境的多学科、一体化、分布式、协同仿真模型的运行支撑平台；虚拟环境技术是指对自然环境和人为对抗环境的仿真建模，模拟环境效应的虚拟现实、可视化技术等。

此外，现代信息技术的迅猛发展也为航天器仿真提供了新的机遇和挑战，例如基于数值算法和并行技术的高效仿真建模方法，CPU与GPU异构的高性能计算加速技术，云计算的系统仿真优化技术等方法，如图5所示，为航天器仿真技术的迅速发展提供了可能。

图5 现代信息技术在航天器仿真中的应用

4 结论

当前，航天事业的发展对仿真技术提出了新的迫切需求，发展航天器仿真技术是提升航天工程系统设计、验证能力的最有效手段之一。现代信息技术的进步为航天仿真技术发展奠定了坚实的技术基础，但是新一代航天器仿真技术的发展仍面临众多基础问题与技术挑战。突破航天仿真的核心技术，实现仿真技术与航天系统工程的有机结合，必将推动未来航天装备建设的跨跃式发展。