雷達/紅外復合制導并行仿真時空一致性研究

趙世明,孫致月,張 旗

(中國人民解放軍91336部隊,河北 秦皇島 066000)

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·光電對抗·

雷達/紅外復合制導并行仿真時空一致性研究

趙世明,孫致月,張 旗

(中國人民解放軍91336部隊,河北 秦皇島 066000)

針對雷達/紅外雙模復合制導導引頭仿真試驗需求,提出并設計了基于并行仿真的復合制導半實物仿真系統(tǒng),重點研究了并行仿真關(guān)鍵技術(shù)時空一致性。詳細分析了影響并行仿真時空一致性的主要因素,建立導彈姿態(tài)運動誤差模型以及目標空間誤差模型,依托并行仿真系統(tǒng)仿真模型定量分析了各因素對時空一致性影響程度,最后提出復合制導并行仿真時空一致性設計框架。

復合制導；半實物；并行仿真；時空一致性

1 引 言

隨著現(xiàn)代電子對抗和信息技術(shù)的發(fā)展,以及作戰(zhàn)環(huán)境的復雜多變,精確制導導彈將面臨著嚴重的生存挑戰(zhàn)。復合制導導彈以其出色的抗干擾和突防能力越來越受到重視,復合制導技術(shù)得到飛速發(fā)展。半實物仿真是檢驗導彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的重要手段,目前單模制導半實物仿真技術(shù)研究和系統(tǒng)建設已經(jīng)成熟,而針對復合制導的仿真技術(shù)需要進一步研究以適應試驗與評估需求。

國外20世紀90年代就開始了復合制導半實物仿真研究,國內(nèi)研究起步較晚,近年來已有相關(guān)文獻和系統(tǒng)建設成果,目標模擬主要是采用雙波束組合器技術(shù),但由于技術(shù)和工藝不成熟,與現(xiàn)實應用需求有較大差距[1]。一是波束組合器材質(zhì)和工藝影響射頻透射和紅外反射信號特性,波束組合器架設機構(gòu)對射頻回波路徑產(chǎn)生影響；二是由于紅外目標模擬移動裝置的局限性限定了只能開展開環(huán)仿真試驗模式[2]。

針對上述問題,提出采用雷達制導和紅外成像制導半實物仿真系統(tǒng)聯(lián)合仿真的“并行聯(lián)網(wǎng)”方式,可保證組合模擬信號的逼真度,半實物仿真試驗設施可得到充分利用[3]。首先對復合制導半實物并行仿真系統(tǒng)進行了設計,詳細分析和研究了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)時空一致性的主要影響因素,建立了時空一致性模型和定量描述方法,依托半實物并行仿真模型和系統(tǒng)誤差模型定量分析了復合制導仿真系統(tǒng)的時空一致性,最后提出改善系統(tǒng)時空一致性的主要技術(shù)框架。

2 復合制導半實物并行仿真設計

基于“并行聯(lián)網(wǎng)”方式的雷達/紅外成像復合制導半實物仿真系統(tǒng)設計如圖1所示。

圖1 雙模復合制導并行半實物仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

雷達制導仿真回路在射頻仿真實驗室內(nèi)利用射頻陣列和信號空間輻射方式模擬生成高逼真度的雷達目標回波信號和射頻干擾信號,三軸轉(zhuǎn)臺承載雷達組件；紅外制導仿真回路在光電暗室內(nèi)利用紅外場景投射方式模擬生成動態(tài)紅外場景,五軸轉(zhuǎn)臺分別承載紅外成像組件和紅外場景生成設備；雙模復合制導信息融合模塊將雷達組件和紅外成像組件輸出的目標特性和狀態(tài)信息進行信息融合和復合策略控制；彈道控制模塊根據(jù)目標誤差信號進行彈道仿真解算,解算結(jié)果分別控制導彈姿態(tài)模擬設備和目標模擬設備,使整個系統(tǒng)形成閉環(huán)仿真試驗回路；仿真試驗結(jié)果分析與評估模塊完成復合制導跟蹤性能和抗干擾能力的分析與評估；并行仿真系統(tǒng)基于實時網(wǎng)和以太網(wǎng)雙網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。

半實物仿真系統(tǒng)并行仿真的系統(tǒng)差異性必然帶來時空不一致性,影響仿真有效性和可信度,是構(gòu)建復合制導并行半實物仿真系統(tǒng)所面臨的主要技術(shù)難點。下面將重點分析研究復合制導半實物并行仿真的時空一致性。

3 時空一致性模型

時空不一致性通常表現(xiàn)為時間不一致、空間不一致和時空不一致,分別以時間不一致度、空間不一致度和時空不一致度作為對仿真時空不一致性定量描述,以評價時空不一致的行為效果。

時間不一致度:由于時鐘不同步和時間延遲引入的仿真時間不一致的差異程度,用ΔT表示,ΔT=TL-TH,其中TL和TH分別為雷達制導仿真回路和紅外制導仿真回路仿真時間坐標。

空間不一致度:同一仿真時刻、同一仿真對象在仿真時空中的空間坐標不一致的差異程度,用ΔS表示,空間位置通常采用矢量表示,空間不一致度用標量表示,即空間坐標矢量差的模:

(1)

其中，SL(xL,yL,zL)和SH(xH,yH,zH)分別為雷達制導仿真回路和紅外制導仿真回路的空間坐標。

時空不一致度:分布式仿真系統(tǒng)的時空不一致程度,用Δθ表示:

Δθ=(t0,τ,ΔT,ΔS)

(2)

采用四元組表示時空不一致度,表示仿真時間t0開始的時間段τ內(nèi),存在時間不一致度ΔT和空間不一致度ΔS。

4 影響時空一致性問題分析

4.1 時鐘不同步性問題

導彈制導半實物仿真系統(tǒng)以彈道仿真機為控制中心,系統(tǒng)仿真時鐘和同步性控制也以彈道仿真機時鐘和同步指令為準。如果并行仿真以各自彈道仿真機時鐘同步,由于各計算機時鐘的不一致性,將帶來各系統(tǒng)對時間的觀察和理解不一致進而導致仿真實體空間位置描述不一致,必將影響數(shù)據(jù)處理精度和仿真精度。

4.2 時間延遲不一致性問題

分布式仿真由于存在地域位置差異,信號處理和多級計算差異,信號傳輸?shù)牟淮_定性,必然具有數(shù)據(jù)計算和信號傳輸?shù)难訒r,該延時也會帶來對參數(shù)理解和數(shù)據(jù)處理上的差異。網(wǎng)絡傳輸可靠性較差存在報文丟幀和錯幀現(xiàn)象,也會帶來不可忽略的仿真誤差。

4.3 姿態(tài)模擬時空不一致

在復合制導并行仿真試驗模式中,導彈姿態(tài)模擬設備需要同步模擬導彈飛行姿態(tài),要求姿態(tài)相同、彈軸一致。兩方面因素會造成姿態(tài)模擬時空不一致,一是姿態(tài)控制信息傳輸延遲,二是坐標變換及姿態(tài)模擬設備動靜態(tài)特性不同帶來的姿態(tài)模擬不同步。姿態(tài)模擬時空不一致將影響目標測量結(jié)果及導彈姿態(tài)和空間位置求解結(jié)果,從而影響仿真結(jié)果可信度。

4.4 目標模擬時空不一致

并行仿真試驗模式要求雷達回波信號模擬和紅外目標信號模擬能夠同步模擬彈目相對方位和相對距離,目標模擬空間描述處理和方法要求一致。由于時間延遲與目標模擬起伏特性和位置控制誤差也會帶來目標模擬的時空不一致,影響仿真試驗精度[4]。

5 時空不一致性定量分析

為定量分析復合制導并行仿真時空一致性,本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下構(gòu)建并行仿真系統(tǒng)仿真模型,總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,上半部分為雷達制導回路模型,下半部分為紅外制導回路模型,導彈模型采用典型反艦導彈彈道模型。在該仿真模型中,通過控制參數(shù)時間延遲及導彈姿態(tài)運動和目標模擬誤差模型引入時空不一致,依據(jù)時空不一致對導彈脫靶量的影響程度定量分析并行仿真的時空一致性。

圖2 雙模復合制導并行仿真系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)圖

5.1 導彈控制參數(shù)時間延遲

假設由于雷達制導回路航向控制信號信息傳輸延時發(fā)生的時間不一致度ΔT,導致彈道脫靶量誤差即空間不一致度為ΔS,通過仿真,ΔT=0.1 s時導彈跟蹤末端彈道比較結(jié)果如圖3所示,不同延遲造成的導彈脫靶量偏差如表1所示。

圖3 延時0.1s時導彈末端彈道和姿態(tài)角比較圖

序號123456時間延遲/s0．10．040．020．010．0050．001脫靶量誤差/m28．610．35．72．91．40．3

根據(jù)仿真結(jié)果,導彈脫靶量偏差隨著航向控制信號時間延遲增大而增加,針對反艦類導彈仿真試驗脫靶量要求,脫靶量偏差應該控制在米級,據(jù)表1仿真結(jié)果分析,并行仿真試驗對時間不一致性可容忍值約為40 ms。實際半實物仿真控制參數(shù)信息傳輸時間延遲為毫秒級以內(nèi),另外,由于導彈仿真時間內(nèi)計算機晶振誤差可以控制在毫秒級以內(nèi),因此,控制參數(shù)傳輸時間延遲和時鐘不同步帶來的并行仿真時空不一致不會影響導引頭信息融合對目標一致性判別。

5.2 導彈姿態(tài)和目標模擬不一致性

導彈制導半實物仿真系統(tǒng)依據(jù)彈道模型解算導彈歐拉角和彈目相對方位和距離信息,分別控制導彈姿態(tài)模擬設備和目標生成設備,由于導彈姿態(tài)和目標模擬誤差因素引入的空間不一致,最終效應都是造成導引頭對目標跟蹤誤差生成,進而影響彈道解算和命中精度,因此本節(jié)一并分析導彈姿態(tài)和目標模擬空間不一致性。

(1)導彈姿態(tài)模擬數(shù)學模型建立

導彈姿態(tài)模擬首先要解決同一彈體姿態(tài)控制信息作用下不同結(jié)構(gòu)類型三軸轉(zhuǎn)臺導彈姿態(tài)模擬的一致性。立式三軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度(φ1,θ1,γ1)與導彈歐拉角(φ,θ,γ)定義相同,其立式三軸轉(zhuǎn)臺控制信號即為彈道模型解算導彈歐拉角。臥式三軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度(φ2,θ2,γ2)與導彈歐拉角(φ,θ,γ)定義不同,其轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

(3)

從系統(tǒng)辨識的角度建立轉(zhuǎn)臺各軸運動模型,使得轉(zhuǎn)臺運動具有以下特性:①轉(zhuǎn)臺各軸系對輸入信號具有跟隨性,能夠還原輸入信號特征；②轉(zhuǎn)臺各軸系對輸入信號的增益為1,即轉(zhuǎn)臺輸出幅值等于輸入信號幅值；③轉(zhuǎn)臺各軸系輸出與輸入信號具有同步性,即相位相同。轉(zhuǎn)臺各軸系用二階系統(tǒng)進行描述,通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的精確表達,二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:

(4)

式中,ωn為自然頻率;ζ為阻尼比。

定義轉(zhuǎn)臺雙十指標頻率ωs:轉(zhuǎn)臺在一定頻率帶寬范圍0～ωs內(nèi)幅頻和相頻特性滿足條件:

(5)

則:

其中:

(6)

(7)

因此根據(jù)轉(zhuǎn)臺雙十指標頻率ωs及阻尼比ζ即可建立滿足頻響要求的轉(zhuǎn)臺二階系統(tǒng)運動模型[5]。

(2)導彈姿態(tài)運動誤差模型建立

轉(zhuǎn)臺運動誤差主要包括回轉(zhuǎn)誤差和靜態(tài)誤差,回轉(zhuǎn)誤差主要有傾角回轉(zhuǎn)誤差、徑向回轉(zhuǎn)誤差、回轉(zhuǎn)精度等；靜態(tài)誤差主要指同軸度、軸線相交度、垂直度等。轉(zhuǎn)臺運動誤差對半實物仿真系統(tǒng)的影響通過空間誤差傳遞矩陣T描述,采用多體運動學理論建立不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺的誤差傳遞模型,轉(zhuǎn)臺空間誤差傳遞矩陣具有如下形式:

(8)

其中,矩陣元素Bij(i,j=1,2,3)描述了轉(zhuǎn)臺誤差對導引頭空間指向角度的影響;px,py,pz描述了轉(zhuǎn)臺誤差對導引頭空間位置的影響。采用導引頭指向誤差和位置偏移兩項指標衡量轉(zhuǎn)臺誤差對半實物仿真系統(tǒng)的影響。定義:

指向誤差Δ:安裝于轉(zhuǎn)臺上的導引頭實際指向Δact與理想指向Δideal之間的角度偏差。

位置誤差e:安裝于轉(zhuǎn)臺上的導引頭中心實際位置eact與理想位置eideal之間的位置偏差。

即:

Δ=Δact-Δideale=eact-eideal

(9)

將指向誤差在姿態(tài)角方向進行分解,姿態(tài)角誤差為:

(10)

位置誤差為:

e=T·[tT,1]T-Tideal·[tT,1]T

(11)

以上各式中,φact,θact,γact分別為轉(zhuǎn)臺實際姿態(tài)角;φideal,θideal,γideal為理想姿態(tài)角。t為導引頭中心上一點坐標,Tideal為轉(zhuǎn)臺理想運動傳遞矩陣。

(3)目標模擬空間誤差模型建立

目標模擬空間誤差對于雷達制導回路射頻陣列來說主要指所模擬目標的位置閃爍,對于安裝于五軸轉(zhuǎn)臺上的紅外場景模擬設備來說主要由轉(zhuǎn)臺運動誤差所致。目標模擬空間誤差對半實物仿真的影響主要改變了導彈和目標的空間角位置關(guān)系,產(chǎn)生附加的空間指向誤差和位置誤差,與轉(zhuǎn)臺運動誤差對半實物仿真試驗的影響機理相同。將兩者影響統(tǒng)一用導引頭等效指向誤差Δequ和等效位置誤差eequ表示。

(4)空間一致性仿真分析

在并行仿真系統(tǒng)仿真模型中引入轉(zhuǎn)臺及目標模擬空間誤差模型,分析空間誤差對半實物仿真過程及結(jié)果的影響。通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺軸線垂直度誤差改變等效指向誤差Δequ,調(diào)整轉(zhuǎn)臺軸線相交度改變等效位置誤差eequ。保持雷達制導回路空間誤差不變,改變紅外制導回路空間誤差,表2列出了不同指向誤差情況下的最大空間不一致度ΔSmax及脫靶量偏差,定義:ΔSmax=max(ΔS)。

表2 指向誤差對仿真試驗結(jié)果影響

保持雷達制導回路指向誤差為Δequ:Δφ=45.28″；Δθ=47.08″；Δγ=45.09″不變,紅外制導回路指向誤差取不同值,由表中數(shù)據(jù)可見,隨紅外制導回路指向誤差逐漸接近雷達制導回路,兩回路脫靶量偏差和ΔSmax值均具有變小的趨勢,仿真試驗結(jié)果的一致性顯著增強。

圖4 雷達、紅外制導回路姿態(tài)角對比曲線(序號2)

表2中姿態(tài)角偏差均值是兩個仿真回路在同一仿真時刻導彈姿態(tài)角差值的平均值,可見隨指向誤差接近,兩回路仿真試驗過程趨于一致。表明指向誤差對半實物仿真試驗空間一致性具有較大的影響,通過調(diào)整兩回路指向誤差的一致性可以有效保證并行仿真的空間一致性。圖4為序號2時,雷達制導回路、紅外制導回路仿真試驗過程中姿態(tài)角對比曲線,圖中橫坐標為仿真時間,縱坐標為導彈姿態(tài)角。兩回路導彈俯仰偏差ΔθAB和航向偏差均值ΔφAB為21.77″,當紅外導引頭在距離目標10 km內(nèi)工作時,兩個回路脫靶量偏差距離小于0.5 m,對艦船目標來說不影響雷達/紅外復合導引頭信息融合的目標一致性判別。

雷達、紅外制導回路等效指向誤差Δequ保持不變,改變紅外制導回路等效位置誤差eequ,仿真結(jié)果顯示eequ改變時脫靶量偏差及ΔSmax值變化極小,表明等效位置誤差不影響空間一致性。因為等效位置誤差相對彈目距離是極小值,所以對導彈目標視線角影響很小。

6 時空一致性解決框架

上述并行仿真結(jié)果分析表明,以彈道仿真脫靶量偏差作為時空一致性判據(jù),上述因素并未影響到復合制導信息融合對目標一致性的判別。但為保證并行仿真試驗精度和可信度,必須做好系統(tǒng)總體設計。

(1)優(yōu)化系統(tǒng)控制層,減小通信延遲

為減小多級控制所帶來的網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)處理時間延遲,復合制導并行仿真僅采用一層控制層,雷達制導回路控制系統(tǒng)將作為并行仿真的控制層,紅外制導仿真回路相關(guān)設備將作為節(jié)點接入雷達制導仿真回路。主要工作是雷達回路控制系統(tǒng)增加并行仿真控制模式,統(tǒng)一修訂接口通信協(xié)議。

(2)優(yōu)化同步性控制,提高時間一致性

并行仿真系統(tǒng)是在統(tǒng)一時統(tǒng)下同步仿真控制,將采用實時網(wǎng)絡中斷觸發(fā)機制實現(xiàn)并行仿真系統(tǒng)的同步性控制。相應工作是雷達制導回路彈道仿真機作為并行仿真系統(tǒng)唯一彈道計算機,其他節(jié)點在彈道仿真機時鐘控制下同步工作；最小化環(huán)形實時網(wǎng)絡節(jié)點數(shù),減小試驗冗余。

(3)保證系統(tǒng)調(diào)試精度,提高空間一致性

本文仿真分析得出,導彈姿態(tài)模擬和目標模擬在當前設計指標和相關(guān)標定基礎上,對空間一致性影響較小,但被試復合制導雷達組件和紅外成像組件安裝和調(diào)試中,導引頭回轉(zhuǎn)中心與三軸轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心的不重合將會導致目標跟蹤精度的下降,因此,在系統(tǒng)安裝和調(diào)試中保證精度將提高并行仿真空間一致性。

7 結(jié) 論

針對復合制導試驗需求,設計了基于并行仿真的復合制導半實物仿真系統(tǒng),分析了時空一致性問題,并提出時空一致性解決框架。復合制導并行仿真系統(tǒng)將可開展以下試驗模式,一是單模制導半實物仿真試驗,獨立完成雷達或紅外制導導彈試驗與鑒定；二是雙模制導半實物仿真試驗,通過并行仿真檢驗雙模復合導引頭對目標的跟蹤性能；三是雷達、紅外制導導彈雙發(fā)齊射仿真試驗及聯(lián)合仿真應用研究。

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Study on space and time consistency of radar/IR compound guidance parallel simulation

ZHAO Shi-ming,SUN Zhi-yue,ZHANG Qi

(No.91336 Troop of PLA,Qinhuangdao 066000,China)

Aiming at simulation test requirement for Radar/IR dual mode compound guidance seeker,the HWIL simulation system for compound guidance based on parallel simulation is proposed and designed,the space and time consistency of parallel simulation key technology is studied.Main factors influencing space and time consistency of parallel simulation are analyzed in detail,the missile attitude motion error model and target space error model are built.The influence degree of various factors on the space and time consistency is analyzed quantitatively based on simulation model of parallel simulation system.Finally the design framework for the space and time consistency of compound guidance parallel simulation is put forward.

compound guidance;HWIL;parallel simulation;space and time consistency

1001-5078(2015)10-1249-06

趙世明(1978-),男,碩士,工程師,主要從事光電對抗及光電制導半實物仿真技術(shù)研究。E-mail:shmzhao@126.com

2015-02-05;

2015-03-06

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.021