1.背景介绍

当前，飞行器已成为大国博弈复杂场景中的重要角色，其技术经过多次实践不断发展，性能持续提升，整体效能显著增强。随着计算机技术和系统仿真技术的发展，利用计算机模拟和仿真构造一个虚拟飞行器的飞行控制系统已成为可能。这种仿真环境不仅可以定量描述飞行器在真实场景中的各种特点和行为，还能避免实际试验中必须付出的高昂代价。因此，仿真在分析飞行器性能和优化设计等方面具有显著优越性。

▲飞行器发射示意图

2.真实飞行器组成介绍

1.分系统组成

飞行控制系统、地面测试发控系统和机上系统是实现飞行器飞行控制和发射过程的关键组成部分。整体架构通过各系统的协同工作，确保飞行器能够在复杂环境下实现可靠的飞行与发射控制。

▲飞行器飞行控制系统组成

飞行控制系统通过集成陀螺仪、加速度计、气压传感器等多种传感器，以高频率实时采集和检测飞行数据，确保系统能够在极短的时间内获取并处理飞行状态信息，并通过高速计算单元对数据进行处理，精确调整飞行器的控制面，如舵面、发动机推力等，以实现飞行轨迹的优化和修正。系统还具备抗干扰能力，能够在复杂环境下保持稳定运行。

地面测发控系统是飞行器测试、发射控制等地面设备的总称。通常由测试设备、发控设备、瞄准设备、通讯设备等部分组成。飞行器测试发控系统主要功能是在飞行器射前测试中，检查控制系统和其他系统电器设备；在发射前对飞行器建立初始状态和初始基准，对飞行器上仪器设备状态进行检查，对发射设备电路进行信号综合及电路接通，向控制系统传递各种诸元数据，向飞行控制系统传递数据，接收飞行控制系统指令，实施对飞行器的发射点火控制等。

机上系统是飞行器飞行控制设备、高速计算单元等飞行设备的总称。通常由惯组测量单元、传感器单元、动力单元等部分组成。在飞行控制阶段对飞行器飞行状态进行监测切换，向动力单元传递指令，接收惯组测量单元数据，向高速计算单元发送数据信息，根据实时数据反馈，实现对飞行器的飞行控制。

惯性测量单元（IMU，Inertial Measurement Unit）是机上软件平台重要组成部分，简称惯组，是一种用于测量和报告物体运动状态的传感器设备，主要由加速度计和陀螺仪组成。IMU的工作原理基于牛顿-欧拉方程，通过数学算法对加速度计和陀螺仪采集的原始数据进行积分和处理，得到物体的位置信息、速度、姿态等重要参数。IMU的优势在于其无需外部参考信号，可以在恶劣环境下工作，例如飞行器飞行、航天器姿态控制、无人驾驶等领域。

2.多核C6713介绍

多核C6713是一种高性能浮点DSP。DSP，Digital Signal Processing，中文全称数字信号处理器，是一种专门针对数字信号进行实时高速解算的特殊处理器，处理能力比同等工作频率的通用微处理器高约1～2个数量级，功耗则低1～2个数量级。信息化装备需要对电磁波、图像、声波等信息进行高速实时智能处理，DSP以其在数字信号处理方面的优势而得到广泛应用，范围涉及雷达信号处理、精确制导、电子对抗、声呐探测、保密通信和飞行控制等应用领域，是现代飞行器“千里眼”和“顺风耳”的基础，也是相关技术研制中需求最迫切的核心器件之一。

▲多核C6713结构图

3.半实物联合仿真

随着飞行器技术的不断进步和仿真需求的日益增加，传统仿真已难以满足复杂场景需求，半实物联合仿真逐渐成为飞行器研发与测试的关键手段。通过物理计算机将整个飞行器飞行任务进行阶段化、模块化分解，能够更高效地模拟飞行器的真实运行过程，以提高设计验证的效率和准确性。

本文提出一种半实物联合仿真方案，以机载飞行控制软件为核心，基于C6713核心进行多核软件和1553B总线模型软件的开发，同地面测发控系统、机上仿真软件组合成完整的飞行器虚拟仿真测试环境。

▲半实物联合仿真

各个DSP核心通过SDP+中断实现核间通信，确保高效的任务调度与实时响应；各系统通过1553B总线，以网络协议进行封装，从而与上位机或分系统跨平台数据交互，保证了不同子系统之间的可靠性和同步性。

天目全数字实时仿真软件SkyEye，是一款基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，支持用户通过拖拽的方式对硬件进行行为级别的仿真，建立飞行器机载飞控系统的仿真模型。

1.分系统仿真

SkyEye机载飞行控制系统软件，在DSP C6713核心、SDP信号灯、1553B总线仿真基础上，通过加载飞行控制软件、高速计算软件等可执行程序，实现对机载飞行控制系统的模拟。

在完成硬件初始化、设备系统状态检查、任务初始化后，通过SDP（Software Defined Perimeter）核间通信实现多核任务调度，将1553B消息封装为网络数据，进行分系统间的数据传递、控制指令加载等，从而实现飞行过程的管理和控制。

▲SkyEye机载飞行控制系统软件

地面软件平台又称地面测发控系统，将真实测试、发射流程抽象为各个任务功能模块，由流程软件严格顺序执行。其功能主要包括：

• 对于控制系统和系统设备进行严格状态自检；
• 对于发射设备功能模块实现信号综合处理及电路加电控制；
• 从数据文件读取后对于惯组、飞行诸元等参数完成真实状态数据传递；
• ​根据功能任务模块执行状态通过1553B消息封装的网络数据返回不同参数和不同流程分支，从而实现与飞行控制系统的数据交互和时序控制。

▲地面软件平台

机上软件平台由数学仿真软件（上位机）和c6713+1553B板卡（下位机）组成，主要负责惯性测量单元、动力单元、飞行控制单元等。

上位机包含若干动力单元、若干时序单元、传输单元等数学模型，负责模型切换和任务切换控制，下位机负责数据计算与时序控制。飞行控制单元接收惯组数据后，更新相应的测量单元数据，向下位机发送数据信息，根据实时数据进行反馈计算，满足相应条件后，上位机切换机上数学模型和任务分支，通知下位机发送时序并切换算法逻辑，通过上位机可实现飞行数据监视及结果曲线绘制，从而实现空中任务的飞行控制。

▲机上平台组成

2. 四核C6713仿真

SkyEye基于对DSP C6713的仿真，通过SDP外设实现四核C6713的全数字模拟。DSP 0-3通过地址总线访问SDP信号灯外设，将寄存器和存储器针对不同核心进行地址访问和读取限制从而实现核号识别。通过寄存器可通知中断控制器触发相应核心中断，从而读取存储体中存储的核间通信数据，有效模拟了多核协同工作机制，显著提升了任务处理的效率和灵活性。

▲四核C6713

4.结语

本方案通过搭建联合仿真环境，成功完成了从与地面软件平台联合仿真初始准备到与机上软件平台执行飞行任务的全过程模拟。整个流程涵盖了系统启动前的状态检测与初始化配置，确保硬件设备及软件系统均处于最佳工作状态，并在参数上传和数据加载流程中进行了全方位验证。

半实物联合仿真系统模拟了飞行过程中可能出现的各种异常情况，验证了系统的容错能力。关键操作阶段，系统启动实时监控机制，持续跟踪记录飞行器飞行状态及相关数据，并根据预设逻辑调整操作参数或采取其他措施，确保任务的顺利完成。

通过仿真模拟真实飞行控制软件，本方案从一定程度上缓解了真实硬件资源紧张导致的开发与测试人员的资源匮乏问题，另一方面借助仿真平台自身的调试、测试手段对飞行器虚拟仿真环境进行更加充分的分析验证，将软件问题更有效地在初期设计阶段暴露出来并解决，从而降低后期整个系统的维护成本，同时验证了飞行控制算法的有效性。利用先进的导航算法不断修正路径偏差，确保系统始终沿着最优轨迹前进。