VxWorks平臺下的火控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

高金艷，李冬輝

（1.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，300072天津；2.國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，410073長沙）

VxWorks平臺下的火控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

高金艷1，2，李冬輝1

（1.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，300072天津；2.國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，410073長沙）

為適應(yīng)軍事發(fā)展的要求，基于經(jīng)典火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首先設(shè)計(jì)了火控仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)框架，建立了仿真系統(tǒng)的各子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；而后基于嵌入式VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)功能模塊及其間的通信；最后，基于所實(shí)現(xiàn)的火控仿真系統(tǒng)，在不同國產(chǎn)武器配置類型下，實(shí)現(xiàn)了空空攻擊想定條件下的兩組實(shí)例仿真研究.仿真結(jié)果表明：空空攻擊時(shí)，若進(jìn)行近距離格斗，選擇霹靂-8（PL-8）較好，若是遠(yuǎn)距離格斗，則選擇霹靂-12（PL-12）更適宜，更能保證攻擊路線的穩(wěn)定性和平滑性.

火控仿真系統(tǒng)；VxWorks；比例導(dǎo)引；純追蹤；多任務(wù)

日益復(fù)雜多變的現(xiàn)代作戰(zhàn)戰(zhàn)場環(huán)境對火力控制系統(tǒng)提出越來越高的要求，而在傳統(tǒng)聯(lián)合式的綜合火控系統(tǒng)中，功能要求的提高將直接導(dǎo)致火力控制系統(tǒng)子系統(tǒng)數(shù)目的增多［1］.然而，功能子系統(tǒng)數(shù)量的快速增長將使得火力控制系統(tǒng)的復(fù)雜度增加，從而在很大程度上會(huì)降低航空火力控制系統(tǒng)的可靠性以及實(shí)時(shí)性.另外，考慮到軍隊(duì)訓(xùn)練受許多因素的限制，近年來國內(nèi)就此作了大量研究仿真研究［2-6］.

鑒于當(dāng)前火力控制系統(tǒng)的系統(tǒng)特征和要求，同時(shí)考慮到VxWorks操作系統(tǒng)［7-8］具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高可靠性的特點(diǎn)，本文基于嵌入式VxWorks平臺，在建立航空火力控制系統(tǒng)各個(gè)功能系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)航空火控仿真系統(tǒng).

1 航空火力控制系統(tǒng)

航空火力控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是控制飛機(jī)火力的方向、密度、時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間.其基本功能是在引導(dǎo)飛機(jī)到目標(biāo)或載機(jī)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，沿最佳航線接近目標(biāo)、搜索、識別、跟蹤目標(biāo)；測量目標(biāo)與載機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行火力控制計(jì)算，選擇武器類型、控制武器的發(fā)射方式、數(shù)量和裝訂引信；必要時(shí)對某些指導(dǎo)武器進(jìn)行發(fā)射前的參數(shù)裝訂和發(fā)射后制導(dǎo)，使用雷達(dá)等火控系統(tǒng)導(dǎo)引武器命中目標(biāo)［9］.

本文搭建的火控仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括試驗(yàn)管理與運(yùn)行、飛行控制管理、火控任務(wù)機(jī)、傳感器管理、武器管理子系統(tǒng)5個(gè)模塊.各子系統(tǒng)間交聯(lián)過程如下：試驗(yàn)管理與運(yùn)行子系統(tǒng)通知各子系統(tǒng)作戰(zhàn)想定類型以及要發(fā)射何種武器，飛行控制管理子系統(tǒng)提供飛機(jī)飛行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，一旦傳感器子系統(tǒng)中的雷達(dá)截獲目標(biāo)，飛行控制管理子系統(tǒng)將飛機(jī)的飛行參數(shù)、傳感器子系統(tǒng)探測到的目標(biāo)參數(shù)一并提供給火控任務(wù)機(jī)子系統(tǒng)，火控任務(wù)機(jī)子系統(tǒng)通過解算，判斷武器是否滿足發(fā)射條件，若滿足發(fā)射條件，通知武器管理子系統(tǒng)發(fā)射武器.圖中箭頭方向代表各子系統(tǒng)間的通信方向.

圖1 火控仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 火控仿真系統(tǒng)建模

2.1 試驗(yàn)管理與運(yùn)行子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)管理與運(yùn)行子系統(tǒng)是火控仿真系統(tǒng)的主控系統(tǒng)，是維護(hù)系統(tǒng)的主要事件循環(huán)，負(fù)責(zé)整個(gè)軟件系統(tǒng)各模塊的協(xié)同工作.其具體實(shí)現(xiàn)功能如下：首先，判斷系統(tǒng)要發(fā)射哪種武器對目標(biāo)進(jìn)行攻擊；其次，創(chuàng)建信號量，為實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信作準(zhǔn)備；最后，通過VxWorks中任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)taskSpawn創(chuàng)建并激活所需的 5個(gè)任務(wù)，仿真結(jié)束后通過任務(wù)刪除函數(shù)taskDelete刪除相應(yīng)任務(wù).

2.2 飛行控制管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

飛行控制管理子系統(tǒng)工作流程如圖2所示，圖中Tinfo為持續(xù)截獲目標(biāo)時(shí)間，Tst為雷達(dá)從搜索到跟蹤目標(biāo)所需時(shí)間.起初雷達(dá)若搜索不到目標(biāo)，飛機(jī)以一定速度朝假定目標(biāo)飛行，若雷達(dá)搜索到目標(biāo)的時(shí)間超過Tst（假定Tst=30 s），則認(rèn)為飛機(jī)成功截獲目標(biāo)，若目標(biāo)剛好又在雷達(dá)的跟蹤范圍內(nèi)，則設(shè)定雷達(dá)狀態(tài)為跟蹤狀態(tài)，并將目標(biāo)數(shù)據(jù)信息傳遞給傳感器子系統(tǒng).

2.3 傳感器管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)模型的工作狀態(tài)切換流程如圖3所示.雷達(dá)傳感器模型有兩種工作模式：搜索和跟蹤.雷達(dá)的起始工作狀態(tài)為搜索狀態(tài).當(dāng)目標(biāo)的距離、方位角、俯仰角和目標(biāo)線角速度滿足雷達(dá)探測條件時(shí)，雷達(dá)截獲目標(biāo).持續(xù)截獲目標(biāo)達(dá)到一定長的時(shí)間，且滿足跟蹤的距離、方位角、俯仰角和目標(biāo)線角速度限制后，進(jìn)入跟蹤狀態(tài).無論是在截獲狀態(tài)還是在跟蹤狀態(tài)，一旦丟失目標(biāo)，雷達(dá)立即進(jìn)入搜索狀態(tài).

2.4 火控任務(wù)機(jī)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

火控任務(wù)機(jī)子系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)處理，包括瞄準(zhǔn)計(jì)算與控制、導(dǎo)航計(jì)算、顯示機(jī)制、總線傳輸控制、飛行能量管理等相應(yīng)的任務(wù)［9］.本文設(shè)計(jì)的火控任務(wù)機(jī)子系統(tǒng)的工作過程：火控任務(wù)子系統(tǒng)從傳感器子系統(tǒng)接收到目標(biāo)的數(shù)據(jù)并從飛行控制管理子系統(tǒng)接收到飛機(jī)數(shù)據(jù)后，通過解算，若武器一開始不滿足發(fā)射條件，控制飛機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)按純追蹤方式對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并實(shí)時(shí)判斷武器是否滿足發(fā)射條件.

圖2 飛行控制管理子系統(tǒng)工作流程

圖3 雷達(dá)工作狀態(tài)切換流程

2.5 空空導(dǎo)彈武器管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

空空導(dǎo)彈武器管理子系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4所示.武裝直升機(jī)進(jìn)行空戰(zhàn)時(shí)，使用的空空導(dǎo)彈類型主要為近距紅外格斗彈［10］.因此導(dǎo)彈發(fā)射后，不需要載機(jī)對其進(jìn)行指令制導(dǎo)，直接從自身導(dǎo)引頭獲取目標(biāo)信息，按照比例導(dǎo)引飛行，不斷地更新其速度和位置矢量，同時(shí)判斷是否滿足爆炸條件和攻擊失敗條件.若滿足爆炸條件，則導(dǎo)彈爆炸，不再存活；若滿足攻擊失敗條件，則導(dǎo)彈攻擊失敗，不再存活；若既不滿足爆炸條件，也不滿足攻擊失敗條件，則繼續(xù)按照比例導(dǎo)引飛行.下面從爆炸條件、攻擊失敗條件兩個(gè)方面詳細(xì)論述.

圖4 空空導(dǎo)彈運(yùn)行流程

2.5.1 爆炸條件

模型主要從導(dǎo)彈安全時(shí)間、最小接近速度、導(dǎo)引頭盲區(qū)距離、殺傷半徑等因素來考慮導(dǎo)彈的爆炸條件，如圖5所示.圖中，R1為導(dǎo)引頭盲區(qū)距離；R2為導(dǎo)彈殺傷半徑；D為導(dǎo)彈到目標(biāo)的距離；De為導(dǎo)彈的脫靶量.

圖5 導(dǎo)彈命中條件

導(dǎo)彈飛行時(shí)間為

導(dǎo)彈接近速度為

彈目距離為

脫靶量為

式中：Tmin為導(dǎo)彈最小可發(fā)射安全時(shí)間；Vdelta為導(dǎo)彈對目標(biāo)的最小接近速度；為導(dǎo)彈初始速度；為導(dǎo)彈在第T時(shí)刻到目標(biāo)的距離；為與速度方向相同的單位向量.

2.5.2 攻擊失敗條件

模型主要從導(dǎo)彈的最大飛行時(shí)間、導(dǎo)引頭跟蹤視場角、跟蹤角速度、導(dǎo)引頭最遠(yuǎn)跟蹤距離、導(dǎo)引頭允許使用高度限制來考慮導(dǎo)彈的攻擊失敗條件，即在以下條件下，導(dǎo)彈攻擊失敗.

導(dǎo)彈飛行時(shí)間為

導(dǎo)引頭天線指向與彈軸夾角為

瞄準(zhǔn)線角速度為

彈目距離為

導(dǎo)彈高度為

其中：Tmax、φmaxtrack、wmaxtrack、Dmax、Hmax、Hmin分別為導(dǎo)彈最大飛行時(shí)間、導(dǎo)引頭最大跟蹤視場角、最大跟蹤角速度、最大跟蹤距離、最大跟蹤高度、最小跟蹤高度.導(dǎo)彈在第T時(shí)刻的速度；為導(dǎo)彈初始位置；為

3 系統(tǒng)仿真與分析

在Tornado開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)火控仿真后，以空空攻擊想定類型PL-8、PL-12兩種發(fā)射武器類型為例，進(jìn)行空戰(zhàn)過程的仿真，并將仿真結(jié)果進(jìn)行評估和橫向?qū)Ρ?仿真時(shí)需作如下假定：假定機(jī)載、武器系統(tǒng)能夠無故障工作；飛行員能夠正確及時(shí)操作.

實(shí)例1 載機(jī)和目標(biāo)位置相對較近，載機(jī)初始位置為（3 000 m，3 000 m，0 m），初始速度為（200 m／s，30 m／s，3 m／s）；目標(biāo)初始位置為（6 000 m，2 000 m，1 000 m），初始速度為（150 m／s，10 m／s，6 m／s）.考慮到實(shí)際空戰(zhàn)中我機(jī)處于比敵方高的位置對目標(biāo)攻擊更加安全、容易，選取目標(biāo)比導(dǎo)彈低1 000 m的一組初始數(shù)據(jù).飛機(jī)截獲目標(biāo)過程中，飛機(jī)、目標(biāo)飛行軌跡如圖6所示.圖中，C1為飛機(jī)截獲目標(biāo)階段的飛行軌跡，C3為飛機(jī)返航階段的飛行軌跡，M為導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡，T為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡.

由圖6中，火控仿真系統(tǒng)執(zhí)行過程：首先，飛機(jī)攜導(dǎo)彈直飛，成功截獲目標(biāo)，如圖中紅色段所示；其次，經(jīng)火控系統(tǒng)解算，目標(biāo)在導(dǎo)彈的攻擊區(qū)內(nèi)，導(dǎo)彈發(fā)射，飛機(jī)返航.導(dǎo)彈按比例導(dǎo)引方式發(fā)射后軌跡如圖中粉色段所示，飛機(jī)返航軌跡如圖中綠色段所示，返航點(diǎn)如圖中黃色段所示，目標(biāo)從始至終飛行軌跡如圖中藍(lán)色段所示.

圖6 PL-8高空對低空近距仿真圖

實(shí)例2 載機(jī)和目標(biāo)位置相對較遠(yuǎn)，根據(jù)PL-8導(dǎo)彈各項(xiàng)發(fā)射邊界條件選取的初始參數(shù).載機(jī)初始位置為（3 000 m，2 000 m，0 m），初始速度為（200 m／s，18 m／s，3 m／s）；目標(biāo)初始位置為（95 000 m，500 m，16 000 m），初始速度為（150 m／s，3 m／s，6 m／s）.發(fā)射PL-8導(dǎo)彈時(shí)，仿真結(jié)果如圖7所示；發(fā)射PL-12導(dǎo)彈時(shí)，仿真結(jié)果如圖8所示.

圖7 PL-8邊界條件下發(fā)射仿真

圖8 PL-12在PL-8邊界條件下仿真

圖7、8中，火控仿真系統(tǒng)各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，對目標(biāo)打擊過程：飛機(jī)先截獲目標(biāo)，如圖中紅色段所示；由于彈目距離大于導(dǎo)彈的最大發(fā)射距離，飛機(jī)不得不按純追蹤跟蹤目標(biāo)一段時(shí)間，如圖中黃色段所示；導(dǎo)彈滿足發(fā)射條件后，導(dǎo)彈按比例導(dǎo)引追蹤目標(biāo)，如圖中粉色段所示；飛機(jī)返回，如圖中綠色段所示；目標(biāo)從始至終飛行軌跡如圖中藍(lán)色段所示.

如果載機(jī)初始位置距離目標(biāo)很遠(yuǎn)，搜索、跟蹤不到目標(biāo)，即使能截獲目標(biāo)，目標(biāo)也不在導(dǎo)彈的可攻擊區(qū)內(nèi)，這時(shí)需要載機(jī)攜帶武器作較長時(shí)間的飛行，既危險(xiǎn)，又很可能導(dǎo)致載機(jī)返航失敗，這種情況下更適宜發(fā)射遠(yuǎn)程導(dǎo)彈PL-12.

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了火控仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)框架，基于此系統(tǒng)框架，建立了仿真系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，其中包括試驗(yàn)管理子系統(tǒng)模型、武器管理子系統(tǒng)模型、飛行與控制子系統(tǒng)模型、傳感器管理子系統(tǒng)模型以及火控任務(wù)機(jī)子系統(tǒng)模型.

2）根據(jù)建立的各火控仿真子系統(tǒng)模型，基于嵌入式VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)功能模塊及其間的通信.

3）基于所實(shí)現(xiàn)的火控仿真系統(tǒng)，對于不同武器配置進(jìn)行了兩組戰(zhàn)況仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析與比較.空空攻擊時(shí)，若進(jìn)行近距格斗，選擇PL-8較好，若是遠(yuǎn)距離格斗，則選擇PL-12更適宜.

4）實(shí)現(xiàn)的火控仿真系統(tǒng)為探索和研究新一代綜合火控系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了一個(gè)研究平臺，同時(shí)為研制新型武器的早期功能設(shè)計(jì)提供了測試和驗(yàn)證平臺，具有一定的適用價(jià)值.

［1］溫增葵，高曉光，魏小豐.基于VxWorks的機(jī)載火控仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.火力與指揮控制，2012，37（7）：174-178.

［2］李如年，倪國旗，方中江.某型火控雷達(dá)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31（3）：730-732.

［3］楊小龍，李成玉，封吉平.組網(wǎng)火控雷達(dá)目標(biāo)跟蹤仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2013，20（7）：24-27.

［4］蘇建剛，黃艷俊，王志生，等.自行高炮光電火控半實(shí)物仿真系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑分析［J］.火力與指揮控制，2013，38（7）：160-163.

［5］凌忠.面向機(jī)載火控雷達(dá)軟件設(shè)計(jì)半實(shí)物仿真系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34（3）：50-54.

［6］譚立新，何艷麗.火炮火控系統(tǒng)中的火控算法研究［J］.鄭州：中州大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26（2）：126-128.

［7］相征.基于VxWorks嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

［8］張楊，于銀濤.VxWorks內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)與BSP開發(fā)詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

［9］陸彥，周志剛，夏英明.航空火力控制技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1994.

［10］高曉光.航空軍用飛行器導(dǎo)論［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

（編輯 魏希柱）

Fire control system design and simulation based on VxWoks

GAO Jinyan1，2，LI Donghui1

（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，300072 Tianjin，China；2.College of Electronic Science and Engineering，National University of Defence Technology，410073 Changsha，China）

To meet the requirements of military development，firstly，the framework of the fire control simulation system（FCSS）is designed；then establishes every mathematical model of the fire control system，including the test management subsystem model，the weapon management subsystem model，the flight control subsystem model，the sensor management subsystem model and the fire control task machine subsystem model；secondly，based on the embedded real-time operating system VxWorks，this paper realizes the functional modules of each subsystem，and on this basis realizes the communication among them；finally，two sets of simulation results are analyzed in airattack.Simulation results show that：to ensure the stability and smoothness of the attack route，PL-8 is better in the air to air missile fire control attack，PL-12 is more suitable in the long-distance combat.

FCSS；VxWorks；proportional navigation guidance；pure-tracking；multi-task

V219

A

0367-6234（2015）09-0042-04

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.09.008

2014-04-02.

國家自然科學(xué)基金（61302002）.

高金艷（1989—），女，博士研究生；李冬輝（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

李冬輝，gjynpu＠126.com.