空空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的研究與實(shí)現(xiàn)

王 霞， 宋曉玲， 李友年

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009;2.洛陽(yáng)理工學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023)

0 引言

虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototype，VP)是以相似原理、控制理論及其相關(guān)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)形成的一種數(shù)字化設(shè)計(jì)方法［1］。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以在功能和行為等方面對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并可在虛擬樣機(jī)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)估工作，從而縮短產(chǎn)品的研制周期，降低研制成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力［2］。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外有著廣泛的研究與應(yīng)用，如采用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行月球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真、飛行器分布仿真、導(dǎo)彈系統(tǒng)仿真等［3］。

采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立了導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，系統(tǒng)驗(yàn)?zāi)：螅谠撈脚_(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真評(píng)估與優(yōu)化設(shè)計(jì)，為導(dǎo)彈研制各個(gè)階段的發(fā)射試驗(yàn)提供了有力的支持。

1 制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的總體設(shè)計(jì)

從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與仿真運(yùn)行兩個(gè)方面，對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。如圖1所示，設(shè)計(jì)要素包括［4］:仿真平臺(tái)軟件框架、仿真模型庫(kù)系統(tǒng)，仿真數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、可視化子系統(tǒng)、硬件平臺(tái)及顯示設(shè)備等。其中，仿真平臺(tái)軟件框架是構(gòu)成空空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的關(guān)鍵部分，用于虛擬樣機(jī)的建模和仿真;仿真模型庫(kù)包括外部環(huán)境模型以及用戶自定義的單元模型;仿真數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理服務(wù)。

圖1 制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)總體設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Virtual prototype model framework of guidance and control system

導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)步驟:首先通過(guò)開(kāi)發(fā)環(huán)境建立單元模型、用戶自定義模型并入庫(kù)，盡可能復(fù)用仿真模型庫(kù)中的單元模型;其次通過(guò)仿真平臺(tái)軟件框架，調(diào)用仿真模型庫(kù)中的單元模型，建立導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型;通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行驗(yàn)證;驗(yàn)?zāi)Ｍ瓿珊?，利用虛擬樣機(jī)對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真與評(píng)估，及時(shí)修改設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)建模與集成

2.1 虛擬樣機(jī)導(dǎo)彈的建模原則

在制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模初期，遵循充分借鑒已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、同時(shí)又便于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行模塊化、層次化和通用化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)建模應(yīng)遵循以下原則［5－6］:

1)模塊化設(shè)計(jì)，即按照導(dǎo)彈的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，模塊的物理意義清楚，輸入、輸出變量明確，利于模型的理解、建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也便于模型的校核和系統(tǒng)的集成，模塊應(yīng)具有相對(duì)獨(dú)立性，盡量減少模塊之間的鉸鏈信號(hào);

2)層次化設(shè)計(jì)，即對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行分層，每一層模型可以通過(guò)下層基本模型構(gòu)建，整個(gè)模型成樹(shù)型結(jié)構(gòu);

3)通用化設(shè)計(jì)，將具有共性的部分建成通用化模塊，以方便其重復(fù)使用，各個(gè)模塊的輸入輸出接口關(guān)系采用通用、標(biāo)準(zhǔn)化的形式，使模塊可以方便地更換，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

2.2 虛擬樣機(jī)的建模

導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多回路控制系統(tǒng)，它包括導(dǎo)引回路、飛行控制回路等主要分系統(tǒng)［7］。制導(dǎo)系統(tǒng)功能圖如圖2所示。

圖2 制導(dǎo)系統(tǒng)功能圖Fig.2 Guidance system function diagram

根據(jù)虛擬樣機(jī)建模原則及制導(dǎo)系統(tǒng)的功能，將虛擬樣機(jī)劃分為制導(dǎo)控制模型(feikong)、彈體模型、相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型(rel)、傳感器模型、邏輯時(shí)序控制模型以及初始化模型和結(jié)束模型，整個(gè)模型呈樹(shù)形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Virtual prototype model framework of guidance and control system

制導(dǎo)控制模型分為控制模型和制導(dǎo)模型。目前，制導(dǎo)模型只有紅外成像導(dǎo)引頭模型，其功能為根據(jù)來(lái)自目標(biāo)的能力自動(dòng)截獲跟蹤目標(biāo)，并給控制模型提供制導(dǎo)律所需的視線角速度、導(dǎo)彈－目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息等。

在實(shí)戰(zhàn)過(guò)程中，導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)時(shí)一般都存在抗干擾問(wèn)題。在一般的數(shù)字仿真環(huán)境中，由于沒(méi)有圖像模型、詳細(xì)的干擾運(yùn)動(dòng)模型及抗干擾算法，難以高逼真度地仿真對(duì)抗干擾過(guò)程。在虛擬樣機(jī)制導(dǎo)模型中，引入了紅外成像圖像模型、詳細(xì)的干擾彈模型及抗干擾算法，可以仿真并實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)彈抗干擾的全過(guò)程。

控制模型分為濾波算法、控制算法(制導(dǎo)律)、穩(wěn)定算法及舵機(jī)等模型，其中穩(wěn)定算法模型和舵機(jī)模型又稱(chēng)為自動(dòng)駕駛儀?？刂葡到y(tǒng)的作用是接收導(dǎo)引頭輸出的信息，進(jìn)行濾波，采用合適的導(dǎo)引律，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤［8］。同時(shí)保證導(dǎo)彈飛行姿態(tài)的穩(wěn)定，輸出舵偏角。

為保證在大攻角、大過(guò)載、強(qiáng)耦合飛行條件下，導(dǎo)彈能夠獲得良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)定性，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用傾斜轉(zhuǎn)彎技術(shù)、變結(jié)構(gòu)控制及直接力/推力矢量復(fù)合控制等方法，對(duì)導(dǎo)彈俯仰、偏航及橫滾等3個(gè)通道進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了實(shí)現(xiàn)大離軸發(fā)射及對(duì)大機(jī)動(dòng)目標(biāo)的精確打擊，采用具有最優(yōu)濾波性能的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，對(duì)彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行濾波，在增廣比例導(dǎo)引律的基礎(chǔ)上，在紅外空空導(dǎo)彈中引入彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、加速度等信息，形成適用于大離軸發(fā)射、大機(jī)動(dòng)目標(biāo)的制導(dǎo)律。

彈體模型分為彈體動(dòng)力學(xué)和彈體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。其中，彈體動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)舵偏角及攻角等信息，按照氣動(dòng)吹風(fēng)數(shù)據(jù)，插值計(jì)算出導(dǎo)彈當(dāng)前所需的氣動(dòng)力和力矩。將結(jié)果傳遞給彈體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。彈體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型實(shí)時(shí)解算導(dǎo)彈六自由度飛行參數(shù)。

根據(jù)彈體模型輸出的信息，通過(guò)導(dǎo)彈－目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將導(dǎo)彈－目標(biāo)視線角及相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息反饋給導(dǎo)引頭，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

邏輯時(shí)序控制模型通過(guò)生成與工作時(shí)序相關(guān)的標(biāo)志、變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模型的合理調(diào)度。

所有模型存入虛擬樣機(jī)的模型庫(kù)。在導(dǎo)彈研制的不同階段，針對(duì)不同的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)?zāi)?，隨導(dǎo)彈研制的深入而不斷深化和細(xì)化［9］。在進(jìn)行新型導(dǎo)彈的研制時(shí)，對(duì)通用模型可以直接調(diào)用，對(duì)個(gè)別要修改參數(shù)的模型可以直接修改，幾大模型經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的修改可以集成不同導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)方案。

2.3 系統(tǒng)集成

導(dǎo)彈研制一般分為論證階段、方案階段、工程研制階段、設(shè)計(jì)定型階段和生產(chǎn)定型階段。其中，方案階段即展開(kāi)原理樣機(jī)的研制。在導(dǎo)彈研制的不同階段，先后實(shí)現(xiàn)了程控彈、制導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)。集成后的虛擬樣機(jī)如圖4所示，具有如下特點(diǎn):

1)具備較為完善的仿真調(diào)試功能;

2)具備完善的分層建模功能，且各層模型可設(shè)置不同的仿真步長(zhǎng);

3)同半實(shí)物仿真相比，虛擬樣機(jī)中引入全局變量，通過(guò)設(shè)置不同的初始仿真條件，可以進(jìn)行多條件仿真，一次能夠連續(xù)對(duì)幾百組彈道進(jìn)行批量仿真，大大提高了仿真效率;

4)同一般的數(shù)字仿真相比，虛擬樣機(jī)平臺(tái)引入紅外成像的圖像模型及抗干擾算法，能夠以圖像方式，實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)彈－目標(biāo)攻擊的全過(guò)程;

5)針對(duì)虛擬樣機(jī)輸出的數(shù)據(jù)格式，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的仿真數(shù)據(jù)批處理畫(huà)圖軟件，如圖5所示，該軟件具有放大、縮小、取點(diǎn)等功能，能夠同時(shí)輸出一條或者多條曲線，便于對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

圖4 制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)Fig.4 Virtual prototype for guidance and control system

圖5 數(shù)據(jù)批處理軟件界面Fig.5 Interface of data batch management software

在確保模型正確的基礎(chǔ)上，利用該虛擬樣機(jī)開(kāi)展了以下工作:

1)制導(dǎo)控制系統(tǒng)全空域穩(wěn)定性分析;

2)外場(chǎng)靶試條件預(yù)測(cè)仿真研究及靶試后復(fù)現(xiàn)研究和數(shù)據(jù)分析;

3)確定制導(dǎo)控制系統(tǒng)攻擊區(qū);

4)制導(dǎo)控制系統(tǒng)的制導(dǎo)精度評(píng)估;

5)開(kāi)展濾波算法、導(dǎo)引律的研究;

6)根據(jù)靶試結(jié)果，對(duì)制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);

7)對(duì)抗干擾算法進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

2.4 仿真結(jié)果

針對(duì)某抗干擾靶試條件，在空空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)環(huán)境下進(jìn)行六自由度仿真，仿真條件為:導(dǎo)彈低空上射，目標(biāo)具有機(jī)動(dòng)逃逸的典型條件，具體攔截條件為:導(dǎo)彈初始發(fā)射高度3 km，發(fā)射Ma=0.8，斜距4 km;目標(biāo)初始高度6.5 km;目標(biāo)機(jī)動(dòng)4g;目標(biāo)高低角60°，方位角 60°，目標(biāo) Ma=0.74，目標(biāo)在 X、Z 兩個(gè)方向進(jìn)行機(jī)動(dòng)。導(dǎo)彈發(fā)射后7.12 s命中目標(biāo)，此時(shí)脫靶量為0.35 m，導(dǎo)彈末速為688 m/s，仿真可在幾秒內(nèi)完成。仿真結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 水平面導(dǎo)彈目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線Fig.6 Missile-target relative moving curve in horizontal plane

圖7 垂直平面導(dǎo)彈目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線Fig.7 Missile-target relative moving curve in vertical plane

圖8 脫靶量Fig.8 Miss distance

圖9 導(dǎo)彈速度曲線Fig.9 Velocity curve of missile

同時(shí)進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)，對(duì)該條彈道進(jìn)行一次仿真通常需要30～60 s左右的時(shí)間。根據(jù)干擾彈投放模式不同，分兩組進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，結(jié)果為:遇靶時(shí)間平均7.11 s，脫靶量分布為0.3 ～2.52 m，末速平均為688 m/s。針對(duì)該條件的空中靶試試驗(yàn)，導(dǎo)彈直接命中靶標(biāo)。

3 系統(tǒng)驗(yàn)?zāi)?/h2>

虛擬樣機(jī)要求能比較真實(shí)地模擬實(shí)際的產(chǎn)品或過(guò)程，如果模型不能準(zhǔn)確真實(shí)地代表實(shí)際的系統(tǒng)，那么利用它產(chǎn)生的結(jié)果也就根本不可信。因此，模型驗(yàn)證是虛擬樣機(jī)中非常重要的環(huán)節(jié)。主要從兩個(gè)層次進(jìn)行驗(yàn)?zāi)！?/p>

1)模型驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)制導(dǎo)控制系統(tǒng)各個(gè)子模型的輸入、輸出數(shù)據(jù)比較來(lái)驗(yàn)證模型的正確性，確定各子系統(tǒng)模型能否代表真實(shí)的系統(tǒng)，如果每個(gè)子系統(tǒng)與真實(shí)部分的誤差很小，精度足夠高，則認(rèn)為虛擬樣機(jī)是正確的。

2)仿真結(jié)果驗(yàn)證。利用所生成的虛擬樣機(jī)，開(kāi)展制導(dǎo)控制系統(tǒng)仿真。根據(jù)仿真結(jié)果評(píng)估虛擬樣機(jī)是否有足夠的精度。

理論上，要通過(guò)大量外場(chǎng)試驗(yàn)以獲取大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為虛擬樣機(jī)評(píng)估及校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，為了簡(jiǎn)化驗(yàn)證過(guò)程，采用半實(shí)物仿真的結(jié)果作為參考，針對(duì)影響系統(tǒng)性能的重要參數(shù)，與虛擬樣機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果虛擬樣機(jī)仿真數(shù)據(jù)和半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)基本一致，則說(shuō)明虛擬樣機(jī)建模正確，仿真結(jié)果可靠。

同時(shí)，在進(jìn)行靶試試驗(yàn)后，將靶試條件代入虛擬樣機(jī)環(huán)境進(jìn)行仿真，將靶試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行校核與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖10給出某次制導(dǎo)彈發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)與虛擬樣機(jī)仿真數(shù)據(jù)的速度對(duì)比曲線，二者基本一致，表明虛擬樣機(jī)建模正確。

圖10 速度曲線對(duì)比Fig.10 Contrast of velocity curve

4 結(jié)束語(yǔ)

研究實(shí)現(xiàn)了空空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，利用該虛擬樣機(jī)進(jìn)行了制導(dǎo)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能評(píng)估工作，縮短了產(chǎn)品的研制周期，設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率得到極大的提高。今后將在抗干擾模型優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能評(píng)估、高擬真度虛擬樣機(jī)的建模及模型校驗(yàn)技術(shù)等方面開(kāi)展工作。

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