虚拟样机技术及其在航天遥感器研发中的应用

论文摘要

虚拟样机是多领域的数字化模型的集合,能够体现物理产品的所有关键特性,可以代替物理样机进行试验。虚拟样机的出现为航天遥感器的研发提供了一条新的技术途径。虚拟样机是复杂的模型系统,无论虚拟样机的理论还是应用都还存在很多需要研究的问题。论文探讨了虚拟样机技术的内涵,对虚拟样机建模仿真中的关键技术问题以及虚拟样机在航天遥感器研发中的应用方法进行了深入研究。提出了层次建模方法和基于层次建模的异构模型集成方法,给出了虚拟样机模型架构,建立了虚拟样机元模型。解决了异构模型集成和模型的统一描述问题。提出了基于流程的虚拟样机仿真驱动方法。分析了仿真流程的构成,设计了仿真流程运行规则,开发了仿真流程驱动软件。该方法为分布式网络环境下异构模型的协同仿真提供了一个较好的解决方案。提出了模型全生命周期管理方法、基于资质的扩展ARBAC（Administrative Role-based Access Control）访问控制方法,研究了工作流管理方法,设计并开发了虚拟样机分布式集成开发软件平台。该平台可支持虚拟样机建模仿真的全过程,有助于消除信息孤岛、提高信息利用率、降低信息使用成本、加快虚拟样机开发进度。从系统工程角度给出了基于虚拟样机的航天遥感器性能分析方法,并运用该方法完成了遥感器的热工况分析。以光学成像遥感器为对象,建立了遥感器虚拟样机,分析了太阳辐射引起的非均匀温度场以及由此导致的镜面畸变。进而分析了存在镜面畸变时遥感器的光学性能,并与理想情况下遥感器的性能作了对比。仿真结果表明,遥感器的光学性能对径向温度梯度不敏感。提出了基于虚拟样机的航天遥感器多学科设计优化方法,完成了航天遥感器主镜轻量化的多学科设计优化。针对虚拟样机仿真分析计算量大、学科模型之间难以解耦的特点,选择了多学科可行法优化策略。给出了多性能指标的综合评价方法。利用均匀设计和多项式响应面近似减少计算量,通过逐步增加试验点并改用神经网络响应面提高求解精度,以较小的计算代价获得了较好的优化效果。论文为推动虚拟样机建模仿真理论研究、促进虚拟样机在航天遥感器研发中的应用奠定了一定基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 虚拟样机技术
• 1.2.1 虚拟样机的定义与特征
• 1.2.2 虚拟样机在系统开发中的作用
• 1.2.3 基于模型的系统工程
• 1.3 国内外相关研究进展
• 1.3.1 虚拟样机建模方法
• 1.3.2 虚拟样机仿真驱动
• 1.3.3 虚拟样机模型管理
• 1.3.4 虚拟样机集成开发环境
• 1.3.5 虚拟样机在遥感器研发中的应用
• 1.4 论文研究内容与章节安排
• 第二章 虚拟样机建模方法研究
• 2.1 虚拟样机模型组成分析
• 2.2 层次建模方法研究
• 2.2.1 模型系统的层次性分析
• 2.2.2 层次建模方法
• 2.2.3 虚拟样机模型层次划分
• 2.2.4 模型层次之间的映射
• 2.2.5 基于层次建模的异构模型集成
• 2.3 虚拟样机元模型建模
• 2.3.1 虚拟样机模型架构
• 2.3.2 需求元建模
• 2.3.3 原子模型元建模
• 2.3.4 虚拟样机结构元建模
• 2.3.5 模型行为元建模
• 2.3.6 可视化方法元建模
• 2.3.7 模型应用元建模
• 2.3.8 类型元建模
• 2.4 小结
• 第三章 虚拟样机仿真驱动方法研究
• 3.1 虚拟样机仿真驱动特点分析
• 3.2 仿真流程的提出
• 3.3 仿真流程的构成分析
• 3.3.1 仿真流程任务节点
• 3.3.2 仿真数据节点
• 3.3.3 仿真流程路径
• 3.3.4 路径运算子
• 3.3.5 仿真资源
• 3.3.6 仿真流程结构
• 3.4 仿真流程的运行规则分析
• 3.4.1 任务节点的运行规则
• 3.4.2 路径运算子的运行规则
• 3.4.3 仿真流程的运行规则
• 3.5 仿真流程驱动软件设计与实现
• 3.5.1 软件功能分析
• 3.5.2 软件设计
• 3.5.3 软件实现
• 3.6 小结
• 第四章 虚拟样机分布式集成开发环境研究
• 4.1 虚拟样机分布式集成开发环境架构设计
• 4.2 虚拟样机模型管理技术研究
• 4.2.1 模型文件管理研究
• 4.2.2 模型结构管理研究
• 4.2.3 模型管理系统的软件实现
• 4.3 人员、组织机构、角色管理研究
• 4.3.1 人员、组织机构与角色的定义
• 4.3.2 人员、组织机构、角色管理的软件实现
• 4.4 权限管理技术研究
• 4.4.1 基于角色的访问控制策略分析
• 4.4.2 资质定义
• 4.4.3 权限定义
• 4.4.4 权限类型分析
• 4.4.5 用户权限验证方法
• 4.4.6 权限管理的软件实现
• 4.5 工作流管理技术研究
• 4.5.1 工作流的定义
• 4.5.2 工作流的功能与构成分析
• 4.5.3 工作流管理系统的软件实现
• 4.6 分布式集成开发环境在VP 建模仿真中的应用
• 4.7 小结
• 第五章 基于虚拟样机的航天遥感器性能分析方法研究
• 5.1 基于虚拟样机的性能分析过程
• 5.2 航天遥感器热工况分析问题的提出
• 5.3 航天遥感器性能指标的选择
• 5.4 航天遥感器虚拟样机建模与性能分析
• 5.4.1 系统模型建模
• 5.4.2 领域模型建模
• 5.4.3 稳态温度场分析
• 5.4.4 形变分析
• 5.4.5 镜面形变数据的处理
• 5.4.6 光学系统性能分析
• 5.5 小结
• 第六章 基于虚拟样机的航天遥感器多学科设计优化方法研究
• 6.1 基于虚拟样机的多学科设计优化方法
• 6.1.1 航天遥感器主镜轻量化多学科设计优化问题的提出
• 6.1.2 多学科设计优化算法比较与选择
• 6.1.3 多学科设计优化中的近似处理
• 6.1.4 航天遥感器性能指标的综合处理
• 6.1.5 主镜轻量化问题的优化过程设计
• 6.2 基于均匀设计和响应面近似的设计优化
• 6.3 基于详细试验和响应面近似的设计优化
• 6.3.1 基于虚拟样机的学科分析
• 6.3.2 响应面拟合
• 6.3.3 基于iSIGHT 的优化计算
• 6.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 缩略语