單兵自動武器簡易光電火控系統(tǒng)協(xié)同仿真

趙彥峻，張萬青，王 欣，徐 誠

（1.山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 淄博255091；2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京210094）

在單兵光電火控系統(tǒng)的研制過程中，瞄具成像、激光測距、光電火控彈道等各個單領(lǐng)域模型的分析是不可分割的。傳統(tǒng)的方法是設(shè)計人員在利用擅長處理此類模型的平臺之上，分別建立各自的模型并分別進(jìn)行調(diào)試與仿真，按照單個單一模型的方式進(jìn)行仿真，沒有考慮各個模型間的相互聯(lián)系、制約和反饋問題。某個模型仿真的結(jié)果經(jīng)過數(shù)據(jù)格式或者調(diào)整之后，成為另外模型仿真的初始參數(shù)。如果后續(xù)模型仿真過程中不能滿足要求，則需要回到前者各個模型中進(jìn)行修改，如此反復(fù)進(jìn)行，直到滿意為止。如果能將單兵光電火控系統(tǒng)各模型集成為一個各個領(lǐng)域共享的仿真模型，利用協(xié)同仿真技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合性能分析，則會提高效率，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

協(xié)同仿真技術(shù)是應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同工作的技術(shù)，它利用先進(jìn)的建模、仿真和信息管理等綜合技術(shù)，將復(fù)雜系統(tǒng)的多領(lǐng)域模型實現(xiàn)聯(lián)合仿真。協(xié)同仿真建模方法有多種，基于接口的協(xié)同仿真技術(shù)應(yīng)用較廣［1－3］。它是通過提供統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)中不同單領(lǐng)域模型之間的數(shù)據(jù)與信息交互。這種技術(shù)不需要改變單領(lǐng)域模型的仿真環(huán)境、算法，只需要對仿真軟件的數(shù)據(jù)與信息的接口實現(xiàn)對接。

本文采用基于接口的協(xié)同仿真方法，對單兵火力系統(tǒng)簡易光電火控系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同仿真。對不同人員，利用不同軟件編制的仿真程序?qū)崿F(xiàn)了協(xié)同仿真。

1 單領(lǐng)域仿真模型

建立瞄具成像、激光測距、火控彈道各單領(lǐng)域仿真模型。

1.1 瞄具成像模型

士兵通過瞄具觀察到目標(biāo)，目標(biāo)由三維圖像變換為望遠(yuǎn)式瞄具中的平面圖像，為描述這些目標(biāo)及圖像的關(guān)系，需要建立圖像、瞄具、世界坐標(biāo)系［4］。世界坐標(biāo)系、瞄具坐標(biāo)系如下式所示：

式中：（Xj，Yj，Zj，1）和（XM，YM，ZM，1）分別為世界坐標(biāo)系和瞄具坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，R≡（0 0 0）T，T為3×1平移矢量。

透視成像的數(shù)學(xué)方程用齊次坐標(biāo)與矩陣［5］表示為

式中：f為瞄具焦距，（X，Y）為M′點在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，（XM，YM，ZM）為空間點M在瞄具坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

空間內(nèi)點M的坐標(biāo)與它的投影M′點的坐標(biāo)為

式中：αX＝f／dX，αY＝f／dY；dx，dY為單個像素在X軸和Y軸方向上的物理尺寸；M1，2為3×4的投影矩陣；參數(shù)αX，αY，u0，v0決定了M1，這些參數(shù)稱為瞄具內(nèi)部參數(shù)，只與瞄具內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)；M2由瞄具外部參數(shù)決定。瞄具標(biāo)定及其它參數(shù)的含義可參閱文獻(xiàn)［6］。

瞄具分劃與目標(biāo)成像關(guān)系模型如下：

式中：D為觀察者與目標(biāo)之間的距離（m），H為目標(biāo)的高度或?qū)挾龋╩），a是用分劃板測得的用密位表示的目標(biāo)高低角或目標(biāo)方向角。

本模型利用MATLAB計算器求解仿真。

1.2 激光測距數(shù)學(xué)模型

激光測距儀按測定方法可分為脈沖激光測距儀和相位激光測距儀。軍事上多采用脈沖激光測距儀。待測目標(biāo)的距離為

式中：L為待測目標(biāo)的距離（m），光速c＝3×108m／s，t為激光脈沖往返時間（s）。

激光往返時間的計算是用時標(biāo)振蕩器來完成的。激光往返時間t的計算公式如下：

將式（6）代入式（1），得：

式中：fH為時標(biāo)振蕩器的振蕩頻率，n為時標(biāo)脈沖個數(shù)。

本模型利用MATLAB計算器求解仿真。

1.3 火控彈道數(shù)學(xué)模型

火控彈道數(shù)學(xué)模型［7－8］為

式中：C為彈道系數(shù)；Hτ（y）為氣重函數(shù)；G（vτ）為阻力函數(shù)；wx為縱風(fēng)，wz為橫風(fēng)；N為彈丸自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)；為彈丸自轉(zhuǎn)角速度；虛溫τ如下式［9］所示：

式中：τ0n＝288.9K，A＝230，B＝6.328×10－3，C′＝1.172×10－6。

火控系統(tǒng)彈道問題邊界條件中彈丸飛行軌跡的起點S：t＝0，x＝0，y＝0，v＝v0；彈丸飛行軌跡的落點E：x＝d，y＝0。在此，假定點S和點E在同一水平，兩者之間的距離為d。

本模型采用VB語言求解仿真。

2 協(xié)同仿真模型

2.1 簡易光電火控系統(tǒng)協(xié)同仿真模型

基于建立的瞄具成像、激光測距、火控彈道3個單領(lǐng)域的仿真模型，以Matlab為平臺，將這些單領(lǐng)域模型利用接口技術(shù)構(gòu)造一個能協(xié)同工作的協(xié)同仿真模型——簡易光電火控系統(tǒng)協(xié)同仿真模型，其框架及數(shù)據(jù)間的傳遞關(guān)系如圖1所示，圖中箭頭描述數(shù)據(jù)間的傳遞與約束關(guān)系。白光瞄具尋找到目標(biāo)，把目標(biāo)參數(shù)傳給激光測距仿真模型；激光測距仿真模型經(jīng)過計算得到目標(biāo)距離，并把目標(biāo)距離傳給白光瞄具仿真模型；白光瞄具出示目標(biāo)離士兵的位置及目標(biāo)圖像，同時將士兵與目標(biāo)的距離值（形成數(shù)據(jù)文件）傳給火控彈道仿真模型；火控彈道模型通過計算得到射擊的射角、瞄準(zhǔn)點、彈丸轉(zhuǎn)數(shù)及彈丸的飛行時間等參數(shù)，并輸出結(jié)果。射角和瞄準(zhǔn)點值回傳給白光瞄具，以數(shù)值的形式出示在白光瞄具的屏幕上，射角傳給人－槍系統(tǒng)，調(diào)整槍射擊的位置，彈丸轉(zhuǎn)數(shù)與飛行時間傳給榴彈引信以控制榴彈爆炸時間。

圖1 簡易光電火控系統(tǒng)協(xié)同仿真模型數(shù)據(jù)間的傳遞關(guān)系

2.2 簡易光電火控系統(tǒng)協(xié)同仿真實現(xiàn)

以Matlab作為集成平臺，將由不同計算軟件編程的3個仿真模型（火控彈道模型、瞄具成像模型、激光測距模型）實現(xiàn)協(xié)同操作，形成一個協(xié)同仿真模型，程序界面如圖2所示。

圖2 簡易光電火控瞄具協(xié)同仿真計算程序界面

2.3 簡易光電火控系統(tǒng)協(xié)同仿真結(jié)果

為檢驗仿真結(jié)果的可靠性，采用多種數(shù)據(jù)進(jìn)行了實驗，并與實際情況進(jìn)行了對比。在此僅以榴彈對600m虛擬立靶目標(biāo)進(jìn)行射擊為例，運行簡易火控系統(tǒng)協(xié)同仿真模型計算程序，獲得了火控仿真的特性參數(shù)、瞄具成像仿真結(jié)果，如彈丸飛行時間為3.299s，初始射角為5.256°，彈丸轉(zhuǎn)數(shù)為1 014等射擊諸元值，這些結(jié)果以文件和數(shù)據(jù)庫的形式保存，方便了與外界數(shù)據(jù)的傳遞與應(yīng)用。協(xié)同仿真的部分輸出結(jié)果界面如圖3～圖5所示。

圖3 600m處目標(biāo)在瞄具中成像

圖4 彈丸轉(zhuǎn)數(shù)－時間曲線

圖5 射擊諸元部分結(jié)果輸出界面

3 結(jié)束語

本文建立了簡易光電火控系統(tǒng)的基于接口的協(xié)同仿真模型，將不同軟件環(huán)境下的3個模型實現(xiàn)了協(xié)同操作，解決了多種非線性模塊在不同軟件環(huán)境下實現(xiàn)聯(lián)合操作的問題。通過協(xié)同仿真實驗，全面模擬了該簡易火控系統(tǒng)工作過程，獲得了簡易火控系統(tǒng)仿真特性參數(shù)。通過對比簡易火控系統(tǒng)單領(lǐng)域仿真與協(xié)同仿真，結(jié)果表明：協(xié)同仿真提高了仿真的效率，縮短了開發(fā)周期，減少了人員的數(shù)量，降低了開發(fā)成本。該項研究為進(jìn)一步實現(xiàn)單兵火力系統(tǒng)協(xié)同仿真提供了參考。

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