数字样机：飞行器状态控制系统仿真

引言：数字样机起源于 20 世纪 90 年代，是一种用数字化模型代替实际物理样机进行仿真分析的技术。

传统的飞行器研发流程往往遵循一套特定的循环结构：在设计初期，工程人员需要对飞行器提供一个综合的设计思路（初期蓝图），随后对原型机进行可行性分析，将结论进行反馈，最后对初期蓝图进行下一步修改，直至可行性验证达到指标，如下图所示：

▲飞行器研发流程示意图

由此可见，在飞行器复杂的生命周期中，设计与验证阶段往往决定了研制所需的成本，尤其验证阶段是判断飞行器性能好坏的关键。我国飞行器的研制正依据前沿技术对飞行器系统的正向技术进行深入探索，然而在设计与验证环节还缺乏一定的创新能力，导致成本控制能力较差、投产周期较长，无法满足新型飞行器的研制需求。

设计和验证环节本质上是对复杂系统装备进行功能性完善，虽然它们在概念上是割裂的，但是数字样机概念的出现巧妙地加强了二者之间的耦合性。数字样机与数字孪生自问世以来便受到国内外的广泛关注，通过具体应用发现，在虚拟空间根据物理实体创建一个同质化的虚拟孪生体，根据需要验证的目标改变孪生体的参数，就能对实体进行虚拟仿真试验和性能预测，甚至实现产品性能的推演与验证，从而改善系统功能、完善设计方案。可以说，数字样机及数字孪生的出现，很大程度上解决了制造业长久以来研发周期过长、效率偏低的问题，对降低复杂产品成本、提高复杂产品性能有着极为显著的推动作用。

数字样机在飞行器端的应用效果尤为明显。长期以来，由于飞行器系统集成度过高，结构过于复杂，飞行器设计和验证环节稍有不慎就会导致成本高昂的飞行器损坏甚至被完全破坏。在新技术尚未完善的情况下，大多数院所往往采取谨慎小心的保守态度进行管理与技术革新。数字样机概念的应用取代了物理实体的试验调试步骤，可以快速准确地在飞行器设计、研制、调试等各关键步骤发挥优势。通过构建飞行器系统的数字样机，就能快速评估功能完善及适用性，快速模拟各类试验环境，大大降低各种成本。

天目全数字实时仿真软件 SkyEye 是基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，可对飞行器状态控制系统进行全硬件仿真，包括 C6713、1553B、FPGA 等，搭建飞行器状态控制系统的数字样机。

▲SkyEye 飞行器状态控制系统仿真案例

飞行器状态控制系统的数字样机由基于 SkyEye 的虚拟目标系统和上位机共同构成：

• 上位机发送 bc、rt、485、422 进行消息测试，读取 csv 文件，并进行固定消息回复、周期消息回复；

• 422、485 消息由 FPGA 进行处理；

• 用户可通过系统回复的对应消息来确认 DD 状态。

以周期消息为例，飞行器状态控制系统需设置周期消息回复时间间隔。在系统测试时，上位机首先发送一条 1553B 消息，用于说明测试的功能。系统回复一条 FPGA 串口消息，由 MT 模型发送到上位机并触发串口周期消息回复；系统判断多条周期消息成功后，回复一条 1553B 消息，MT 监控消息并在上位机中显示。用户可通过对比测试文档，验证消息正确性，进而验证数字样机应用效果。