本發(fā)明涉及飛行器數(shù)字工程，尤其涉及一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、平流層飛艇是一種依靠浮力保持飛行高度的飛行器，可以長(zhǎng)期駐留在平流層下部，平流層飛艇及其應(yīng)用具有重要的產(chǎn)業(yè)價(jià)值，可與航天、航空裝備一起從高度上構(gòu)成高、中、低搭配的裝備體系，把空天一體化裝備推向更高的層次，真正實(shí)現(xiàn)空天一體的無(wú)縫集成。平流層飛艇通常用于高空通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象觀測(cè)等任務(wù)，因此對(duì)其性能和可靠性的要求非常高。

2、現(xiàn)有的飛艇仿真模擬采用集成式仿真的技術(shù)手段，例如公告號(hào)為cn118780099b的專利公開(kāi)了一種集成式平流層飛艇全系統(tǒng)性能仿真平臺(tái)，將平流層飛艇仿真涉及的多個(gè)分系統(tǒng)模型集中部署于同一臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)上，所述多個(gè)分系統(tǒng)模型通過(guò)定義好的輸入輸出接口，間接通過(guò)共享內(nèi)存的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提高仿真平臺(tái)的仿真效率和可擴(kuò)展性。但還存在飛艇在線傳感數(shù)據(jù)和離線仿真數(shù)據(jù)融合存在時(shí)滯性大、數(shù)據(jù)不平衡等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法及系統(tǒng)，解決上述技術(shù)問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法，具體步驟如下：

3、步驟s1：獲取平流層飛艇實(shí)體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及所處環(huán)境數(shù)據(jù)，建立實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)；

4、步驟s2：根據(jù)實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建平流層飛艇數(shù)字孿生體，平流層飛艇數(shù)字孿生體包括在線數(shù)字孿生體和離線數(shù)字孿生體；

5、步驟s3：在線數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)獲取平流層飛艇實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)離線數(shù)字孿生體與在線數(shù)字孿生體保持狀態(tài)同步；

6、步驟s4：在離線數(shù)字孿生體進(jìn)行參數(shù)整定和預(yù)測(cè)分析，當(dāng)預(yù)測(cè)分析結(jié)果達(dá)到設(shè)定值時(shí)，在線數(shù)字孿生體將預(yù)測(cè)分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制指令發(fā)送至實(shí)體參數(shù)整定裝置中對(duì)平流層飛艇實(shí)體進(jìn)行參數(shù)整定。

7、優(yōu)選的，在線數(shù)字孿生體和離線數(shù)字孿生體均包括共享參數(shù)服務(wù)器、平流層飛艇數(shù)字模型和運(yùn)行功能模型，平流層飛艇數(shù)字模型和運(yùn)行功能模型均與共享參數(shù)服務(wù)器相連接。

8、優(yōu)選的，在共享參數(shù)服務(wù)器中設(shè)置有用于仿真模擬平流層飛艇實(shí)體的長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型；

9、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建過(guò)程如下：

10、步驟s41：結(jié)合實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)和仿真數(shù)據(jù)庫(kù)形成長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型所需的數(shù)據(jù)集，并將數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集、測(cè)試集以及驗(yàn)證集；

11、步驟s42：構(gòu)建長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型并設(shè)置其參數(shù)，參數(shù)包括學(xué)習(xí)率和迭代次數(shù)，設(shè)置長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的損失函數(shù)和優(yōu)化器；

12、步驟s43：通過(guò)訓(xùn)練集對(duì)設(shè)置完成的長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后并通過(guò)測(cè)試集和驗(yàn)證集對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，得到用于仿真模擬平流層飛艇實(shí)體的長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。

13、優(yōu)選的，在仿真過(guò)程中根據(jù)平流層飛艇實(shí)體與平流層飛艇數(shù)字孿生體的反饋差值定期更新長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。

14、基于上述一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法的系統(tǒng)，包括：

15、數(shù)據(jù)采集裝置用于采集平流層飛艇實(shí)體的實(shí)際參數(shù)狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)置在平流層飛艇實(shí)體上；

16、與數(shù)據(jù)采集裝置連接的數(shù)據(jù)通訊處理裝置用于收發(fā)采集的實(shí)際參數(shù)狀態(tài)和控制指令，同時(shí)數(shù)據(jù)通訊處理裝置對(duì)實(shí)際參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至在線數(shù)字孿生體；

17、在線數(shù)字孿生體用于模擬平流層飛艇實(shí)體的實(shí)際狀態(tài)以及將預(yù)測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制指令發(fā)送至平流層飛艇實(shí)體；

18、離線數(shù)字孿生體用于參數(shù)整定和預(yù)測(cè)分析，離線數(shù)字孿生體通過(guò)狀態(tài)同步裝置與在線數(shù)字孿生體相連接。

19、優(yōu)選的，根據(jù)實(shí)體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模式的平流層飛艇數(shù)字模型，平流層飛艇數(shù)字模型包括結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、能源分系統(tǒng)、動(dòng)力分系統(tǒng)、航電分系統(tǒng)、飛控分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)以及載荷分系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、能源分系統(tǒng)、動(dòng)力分系統(tǒng)、航電分系統(tǒng)、飛控分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)以及載荷分系統(tǒng)均與共享參數(shù)服務(wù)器相連接。

20、優(yōu)選的，運(yùn)行功能模型包括虛實(shí)交互模塊、共享參數(shù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、仿真調(diào)度模塊以及可視化模塊；虛實(shí)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、仿真調(diào)度模塊以及可視化模塊均與共享參數(shù)服務(wù)器相連接；虛實(shí)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及可視化模塊均與仿真調(diào)度模塊相連接。

21、優(yōu)選的，結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、能源分系統(tǒng)、動(dòng)力分系統(tǒng)、航電分系統(tǒng)、飛控分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)以及載荷分系統(tǒng)均與仿真調(diào)度模塊相連接。

22、因此，本發(fā)明采用上述一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法及系統(tǒng)，具有的有益效果為：

23、（1）在線數(shù)字孿生體可以基于三維可視模型與實(shí)際采集的數(shù)據(jù)對(duì)物理空間的平流層飛艇實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬、監(jiān)控以及反映。將平流層飛艇實(shí)體的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性能以及行為映射到虛擬世界，為觀察、認(rèn)識(shí)、理解、控制和改造平流層飛艇實(shí)體提供可靠便捷的數(shù)字化手段。

24、（2）基于動(dòng)態(tài)標(biāo)度的在線－離線時(shí)序數(shù)據(jù)的平流層飛艇虛實(shí)交互技術(shù)，分別在“以虛映實(shí)”和“以虛控實(shí)”兩方面實(shí)現(xiàn)平流層飛艇系統(tǒng)的虛實(shí)交互運(yùn)行，在“以虛映實(shí)”方面，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)和實(shí)際物理環(huán)境中的歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)持續(xù)迭代更新，降低數(shù)字孿生體和平流層飛艇實(shí)體之間的差異，提高仿真的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。在“以虛控實(shí)”方面，根據(jù)離線數(shù)字孿生體通過(guò)自動(dòng)/交互方式實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物的參數(shù)整定，參數(shù)整定基于數(shù)字孿生體的“一對(duì)多”特性，通過(guò)在線－離線數(shù)字孿生體狀態(tài)同步和離線數(shù)字孿生體中調(diào)參，對(duì)平流層飛艇需要調(diào)控狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，達(dá)到預(yù)期調(diào)控效果后，在線數(shù)字孿生體將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制指令，通過(guò)在線數(shù)字孿生體自動(dòng)/交互方式實(shí)現(xiàn)實(shí)物有效控制。

25、下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法，其特征在于，具體步驟如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法，其特征在于：在線數(shù)字孿生體和離線數(shù)字孿生體均包括共享參數(shù)服務(wù)器、平流層飛艇數(shù)字模型和運(yùn)行功能模型，平流層飛艇數(shù)字模型和運(yùn)行功能模型均與共享參數(shù)服務(wù)器相連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法，其特征在于：在共享參數(shù)服務(wù)器中設(shè)置有用于仿真模擬平流層飛艇實(shí)體的長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法，其特征在于：在仿真過(guò)程中根據(jù)平流層飛艇實(shí)體與平流層飛艇數(shù)字孿生體的反饋差值定期更新長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。

5.基于權(quán)利要求4所述的一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法的系統(tǒng)，其特征在于：根據(jù)實(shí)體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模式的平流層飛艇數(shù)字模型，平流層飛艇數(shù)字模型包括結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、能源分系統(tǒng)、動(dòng)力分系統(tǒng)、航電分系統(tǒng)、飛控分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)以及載荷分系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、能源分系統(tǒng)、動(dòng)力分系統(tǒng)、航電分系統(tǒng)、飛控分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)以及載荷分系統(tǒng)均與共享參數(shù)服務(wù)器相連接。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法的系統(tǒng)，其特征在于：運(yùn)行功能模型包括虛實(shí)交互模塊、共享參數(shù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、仿真調(diào)度模塊以及可視化模塊；虛實(shí)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、仿真調(diào)度模塊以及可視化模塊均與共享參數(shù)服務(wù)器相連接；虛實(shí)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及可視化模塊均與仿真調(diào)度模塊相連接。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法的系統(tǒng)，其特征在于：結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、能源分系統(tǒng)、動(dòng)力分系統(tǒng)、航電分系統(tǒng)、飛控分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)以及載荷分系統(tǒng)均與仿真調(diào)度模塊相連接。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法及系統(tǒng)，屬于涉及飛行器數(shù)字工程技術(shù)領(lǐng)域，方法步驟如下：構(gòu)建平流層飛艇數(shù)字孿生體，平流層飛艇數(shù)字孿生體包括在線數(shù)字孿生體和離線數(shù)字孿生體；在線數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)獲取平流層飛艇實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)，在離線數(shù)字孿生體進(jìn)行參數(shù)整定和預(yù)測(cè)分析，當(dāng)預(yù)測(cè)分析結(jié)果達(dá)到設(shè)定值時(shí)，在線數(shù)字孿生體將預(yù)測(cè)分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制指令發(fā)送至實(shí)體參數(shù)整定裝置中對(duì)平流層飛艇實(shí)體進(jìn)行參數(shù)整定。同時(shí)公開(kāi)了基于上述方法的系統(tǒng)，采用上述一種基于數(shù)字孿生的平流層飛艇仿真模擬控制方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平流層飛艇系統(tǒng)的虛實(shí)交互運(yùn)行，基于數(shù)字孿生技術(shù)為平流層飛艇的改造優(yōu)化提供可靠便捷的數(shù)字化手段。

技術(shù)研發(fā)人員：呂慧,陳天,張一飛,劉東旭
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15