某制空型無人機武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件設(shè)計

王培 金琳乘

針對制空型無人作戰(zhàn)飛機仿真演示驗證預(yù)先研究的需求，提出了一種武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件設(shè)計方法，包含懸掛物管理分系統(tǒng)和機載武器系統(tǒng)兩部分內(nèi)容，并通過測試驗證了武器控制管理邏輯的正確性，空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)的準確性。

無人機的自主作戰(zhàn)能力是無人機的最大特性，隨著科技的發(fā)展，無人機在整個作戰(zhàn)體系中扮演著越來越重要的角色是必然趨勢。針對未來戰(zhàn)爭需求，各國正積極探索開發(fā)無人系統(tǒng)之間的協(xié)同作戰(zhàn)能力。從目前的裝備能力和技術(shù)水平來看，現(xiàn)階段，無人機作為協(xié)同空戰(zhàn)系統(tǒng)中的作戰(zhàn)執(zhí)行者，也是整個指揮控制環(huán)的終端環(huán)節(jié)，無人機的作戰(zhàn)能力對整個協(xié)同系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能具有直接影響。在一次制空作戰(zhàn)中，無人機的戰(zhàn)術(shù)角色會根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境的變化，作為武器投放平臺具備中遠距武器自動投放能力。并且在必要時，可實現(xiàn)直接投放中距精確制導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊敵先進戰(zhàn)機的戰(zhàn)術(shù)需求。因此，機載武器系統(tǒng)對提高無人機的作戰(zhàn)效能具有重要作用。

武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件設(shè)計

武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件主要模擬懸掛物管理系統(tǒng)及其所管理的飛機掛載武器系統(tǒng)，由懸掛物管理分系統(tǒng)仿真模塊和機載武器系統(tǒng)仿真模塊組成，具備多機控制能力，可控制紅、藍雙方各四架飛機（其中控制飛機數(shù)量通過輸入來源于總控臺的“紅、藍對抗數(shù)量”確定），每架飛機四個掛點，通過實時以太網(wǎng)與任務(wù)系統(tǒng)主控仿真模塊、視景仿真模塊和目標生成仿真模塊之間交聯(lián)，模擬武器與制空型無人機之間的接口通訊，對武器從掛載到上電、準備、發(fā)射、離機以及武器飛行彈道的全過程進行仿真，完成武器的發(fā)控管理以及武器投放后的彈道解算，并向視景仿真模塊輸出武器發(fā)射后的飛行彈道及內(nèi)埋彈倉的開關(guān)狀態(tài)。

武器系統(tǒng)數(shù)字仿真模塊與航電系統(tǒng)在配套仿真驗證環(huán)境中的各個模塊交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件與任務(wù)系統(tǒng)主控仿真模塊、視景仿真模塊以及目標生成仿真模塊交聯(lián)，交聯(lián)數(shù)據(jù)如下：

a）與任務(wù)系統(tǒng)主控仿真模塊交聯(lián)，傳遞武器狀態(tài)數(shù)據(jù)、艙門狀態(tài)數(shù)據(jù)以及武器配置信息，并且傳遞機載武器控制信息、任務(wù)數(shù)據(jù)、中制導(dǎo)數(shù)據(jù)；

b）接收目標生成仿真模塊的真實目標數(shù)據(jù)作為導(dǎo)彈末制導(dǎo)目標數(shù)據(jù)參數(shù)；

c）向視景仿真模塊輸出導(dǎo)彈飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)及艙門狀態(tài)數(shù)據(jù)。

為提高武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件的復(fù)用性，仿真軟件采用C語言類的封裝形式，生成飛機懸掛物管理分系統(tǒng)類對象，通過接收總控臺的“紅、藍對抗數(shù)量”確定仿真飛機的數(shù)量，生產(chǎn)相應(yīng)數(shù)量的懸掛物管理分系統(tǒng)類實例，達到同時實現(xiàn)仿真多架飛機武器系統(tǒng)的功能。

懸掛物管理分系統(tǒng)軟件仿真設(shè)計

武器系統(tǒng)中的懸掛物管理分系統(tǒng)接收由任務(wù)系統(tǒng)主控模塊發(fā)送的武器控制信息，控制機載武器系統(tǒng)選擇具體的武器占位并控制占位武器進行從參數(shù)裝訂、準備到正常發(fā)射的工作流程和狀態(tài)，并下發(fā)機載武器雷達彈、紅外彈所需裝訂的任務(wù)參數(shù)信息；向任務(wù)系統(tǒng)主控模塊傳遞武器系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及艙門狀態(tài)數(shù)據(jù)。懸掛物管理分系統(tǒng)在得到懸掛物清單后通過任務(wù)系統(tǒng)主控模塊傳輸給地面站進行顯示；在導(dǎo)彈發(fā)射后向視景仿真模塊輸出導(dǎo)彈飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)及艙門狀態(tài)數(shù)據(jù)；在導(dǎo)彈中末制導(dǎo)交班后，向彈道仿真程序轉(zhuǎn)發(fā)由目標生成仿真模塊生成的真實目標信息。

機載武器雷達彈、紅外彈的機上工作邏輯及飛行導(dǎo)彈解算等仿真功能，通過動態(tài)鏈接庫的方式提供給懸掛物管理分系統(tǒng)仿真軟件，仿真軟件根據(jù)工作模式，調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)，完成參數(shù)的輸入，獲取武器工作狀態(tài)、導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)。

對懸掛物管理分系統(tǒng)的核心功能需求進行分析：

（1）作為武器系統(tǒng)的主控計算機，能夠具備調(diào)用局域網(wǎng)內(nèi)（實時網(wǎng)/以太網(wǎng)環(huán)境下）其它計算機中的彈道解算軟件的功能；

（2）可實現(xiàn)紅、藍對抗雙方各四架飛機、每架飛機4個掛點的武器仿真管理，武器類型為中遠距雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈、近距紅外格斗導(dǎo)彈，其中左右彈倉可各內(nèi)埋懸掛2枚空空導(dǎo)彈，具備混掛能力；

（3）負責艙門狀態(tài)管理，控制管理彈艙艙門開/閉，協(xié)調(diào)艙門開/閉和武器投放時機；

（4）負責武器清單管理、武器狀態(tài)管理、武器占位管理及武器故障管理；

（5）實現(xiàn)機載武器的發(fā)控管理功能，包含：供電控制、參數(shù)裝訂、地面自檢、空中準備、投放控制及安全性管理；具備導(dǎo)彈自動準備功能，能夠進行多枚導(dǎo)彈的同時準備；

（6）具備導(dǎo)彈發(fā)射后模擬數(shù)據(jù)鏈向空空導(dǎo)彈傳遞中制導(dǎo)信息，并接收其回傳的彈道數(shù)據(jù)以及武器狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，并保證能夠?qū)崟r的向視景系統(tǒng)進行傳輸；

（7）具備與任務(wù)系統(tǒng)主控仿真模塊、視景仿真模塊以及目標生成仿真模塊的交聯(lián)功能；

（8）具有可擴展接口，具備調(diào)用其它武器控制模塊功能以及預(yù)留武器相應(yīng)計算模塊嵌入功能。

對懸掛物管理分系統(tǒng)仿真軟件核心功能需求分析的基礎(chǔ)上，按照軟件的內(nèi)在邏輯關(guān)系及模塊化程序設(shè)計思想，把仿真軟件劃分為5個相對獨立又相互依存的計算機軟件部件（簡稱CSC），每個計算機軟件部件下又細化為多個計算機軟件單元（簡稱CSU）。在程序設(shè)計過程中，力求把計算機軟件部件之間的耦合關(guān)系降到最低，保證各個計算機軟件部件之間接口明確、簡練。各計算機軟件部件功能說明：

（1）仿真程序管理（SysProcess_Manage）：仿真程序管理，實現(xiàn)仿真軟件的運行，包括界面顯示、接口數(shù)據(jù)管理、懸掛物管理系統(tǒng)管理：

（2）顯示界面（SysProcess_Display）：提供仿真軟件所需要的操作顯示界面，調(diào)用仿真程序主框架，根據(jù)仿真結(jié)果和界面操作在仿真器上實時顯示軟件運行狀態(tài)、武器系統(tǒng)狀態(tài)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控：

（3）以太網(wǎng)控制管理（SysProcess_Net）：獲取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括啟動、關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)，接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，獲取網(wǎng)管服務(wù)器狀態(tài)，執(zhí)行仿真程序主框架等：

（4）懸掛物管理系統(tǒng)仿真（SysProcess_SMSSim）：仿真懸掛物管理系統(tǒng)功能，實現(xiàn)懸掛物管理系統(tǒng)仿真模型、武器管理和控制、艙門控制和仿真、雷達彈發(fā)控管理、紅外彈發(fā)控管理：

（5）與其他系統(tǒng)交聯(lián)（SysProcess_Systems）：從任務(wù)系統(tǒng)主控臺獲取命令和數(shù)據(jù)供轉(zhuǎn)換為仿真軟件各計算機軟件部件使用的數(shù)據(jù)和命令，獲取武器飛行數(shù)據(jù)和艙門狀態(tài)后向視景仿真系統(tǒng)發(fā)送。

懸掛物管理分系統(tǒng)仿真軟件的頂層結(jié)構(gòu)見圖2。

懸掛物管理分系統(tǒng)仿真模型流程見圖3，軟件接口關(guān)系見圖4。

機載武器系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計

機載武器系統(tǒng)仿真軟件作為武器系統(tǒng)仿真軟件的一個模塊，由懸掛物管理分系統(tǒng)仿真軟件進行調(diào)用，制空型無人機掛載的武器為兩型空空導(dǎo)彈，分別為中遠距雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈、近距紅外格斗導(dǎo)彈。機載武器系統(tǒng)仿真軟件所需的任務(wù)數(shù)據(jù)與中制導(dǎo)、末制導(dǎo)數(shù)據(jù)均由懸掛物管理分系統(tǒng)負責轉(zhuǎn)發(fā)，接收懸掛物管理分系統(tǒng)的控制信息并按照控制邏輯回傳相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

機載武器系統(tǒng)仿真軟件能夠?qū)?dǎo)彈的加溫、準備、發(fā)射、中制導(dǎo)（含中末制導(dǎo)交接）、末制導(dǎo)的整個工作過程進行模擬，完成彈道仿真計算，并輸出導(dǎo)彈彈道參數(shù)和截獲等信息。

對機載武器系統(tǒng)仿真軟件的核心功能需求進行分析：

（1）具備武器離梁后的彈道解算功能，周期性實時解算并輸出空空導(dǎo)彈的三自由度彈道和姿態(tài)等數(shù)據(jù)，并通過實時網(wǎng)傳輸；

（2）具備模擬空空導(dǎo)彈中制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈制導(dǎo)數(shù)據(jù)接收與導(dǎo)彈位置回傳功能；

（3）具有同時輸出多枚空空導(dǎo)彈彈道仿真能力；

（4）具備攻擊雙目標的仿真功能；

（5）能夠模擬導(dǎo)彈準備、發(fā)射、離機、空間運動、制導(dǎo)飛行、導(dǎo)引頭截獲目標、命中或偏離目標等狀態(tài)；

（6）具備武器掛機工作流程仿真功能；

（7）紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈要求在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上達到數(shù)據(jù)鏈支持下的發(fā)射后截獲目標的能力。

對機載武器系統(tǒng)仿真軟件核心功能需求分析的基礎(chǔ)上，按照功能劃分，機載武器系統(tǒng)仿真軟件主要分為操作使用模塊、彈道仿真模塊兩部分：

（1）操作使用模塊：能夠完成導(dǎo)彈掛機時接收飛行任務(wù)信息，完成導(dǎo)彈加溫、準備、發(fā)射過程的模擬，在系統(tǒng)給出激勵時，能夠按照導(dǎo)彈的真實工作過程，延遲相應(yīng)時間后給出響應(yīng)。

（2）彈道仿真模塊：主要用于導(dǎo)彈整個自主飛行過程的模擬，能夠根據(jù)飛行任務(wù)信息，實現(xiàn)導(dǎo)彈不同工作模式下的飛行彈道計算。雷達制導(dǎo)型導(dǎo)彈仿真軟件在收到“發(fā)射”指令時，能夠根據(jù)輸入的發(fā)射條件，對雷達制導(dǎo)型導(dǎo)彈攻擊目標時的飛行特性進行彈道仿真和模擬，同時輸出特定的彈道參數(shù)和仿真結(jié)果。

機載武器系統(tǒng)仿真軟件結(jié)構(gòu)見圖5。

空導(dǎo)彈仿真軟件根據(jù)外部提供的控制時序進行工作，并根據(jù)載機、目標信息進行彈道的仿真計算。

武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件設(shè)計測試驗證

制空型無人作戰(zhàn)飛機武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件開始運行后，在總控制臺的控制下，通過實時網(wǎng)，接收任務(wù)系統(tǒng)綜合管理仿真模塊的命令控制進行彈艙內(nèi)武器數(shù)據(jù)加載，加載完成后上報武器配置清單，并對加載的武器進行參數(shù)裝訂。武器發(fā)射后調(diào)用彈道解算函數(shù)實時解算武器彈道，模擬中制導(dǎo)過程向空空導(dǎo)彈傳遞中制導(dǎo)數(shù)據(jù)信息，并將飛行數(shù)據(jù)與內(nèi)埋彈倉艙門的開關(guān)狀態(tài)發(fā)送給視景仿真模塊，進行顯示。分別對單機測試狀態(tài)、單機對抗狀態(tài)、多機對抗狀態(tài)進行測試驗證。

單機測試狀態(tài)試驗

在紅方或藍方單機狀態(tài)下由試驗總控臺模擬目標，載機掛載兩枚空空導(dǎo)彈進行攔截模式試驗。導(dǎo)彈掛機狀態(tài)由火控系統(tǒng)傳輸任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)，導(dǎo)彈離機后由本機發(fā)送中制導(dǎo)數(shù)據(jù)，在末制導(dǎo)導(dǎo)引頭開機后，懸掛物管理分系統(tǒng)將目標（目標仿真器中目標位置信息）真實坐標發(fā)送給武器仿真系統(tǒng)。主要驗證武器管理邏輯、空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)和命中狀態(tài)。

試驗中設(shè)置了多種目標位置和航線攻擊，均能有效完成攻擊任務(wù)，驗證了武器管理邏輯正確，空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)正確。具體試驗結(jié)果見圖6。

單機對抗狀態(tài)試驗

在紅方、藍方各一架機狀態(tài)下進行對抗測試，雙方載機各掛載兩枚空空導(dǎo)彈進行攔截模式試驗。導(dǎo)彈掛機狀態(tài)由火控系統(tǒng)傳輸任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)，導(dǎo)彈離機后由本機發(fā)送中制導(dǎo)數(shù)據(jù)，在末制導(dǎo)導(dǎo)引頭開機后，懸掛物管理分系統(tǒng)將目標（紅、藍方目標機位置信息）真實坐標發(fā)送給武器仿真系統(tǒng)。主要驗證紅藍雙方單機狀態(tài)下武器管理邏輯、空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)和命中狀態(tài)。

試驗中設(shè)置了多種目標位置和航線對抗攻擊，均能有效完成攻擊任務(wù)，驗證了紅藍雙方武器管理邏輯正確，空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)正確。具體試驗結(jié)果見圖7。

多機對抗狀態(tài)試驗

在紅方、藍方各兩架機狀態(tài)下進行對抗測試，雙方載機各掛載兩枚空空導(dǎo)彈進行攔截模式試驗。導(dǎo)彈掛機狀態(tài)由火控系統(tǒng)傳輸任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)，導(dǎo)彈離機后由本機發(fā)送中制導(dǎo)數(shù)據(jù)，在末制導(dǎo)導(dǎo)引頭開機后，懸掛物管理分系統(tǒng)將目標（紅、藍方目標機位置信息）真實坐標發(fā)送給武器仿真系統(tǒng)。主要驗證紅藍雙方多機狀態(tài)下武器管理邏輯、空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)和命中狀態(tài)。

試驗中設(shè)置了多種目標位置和航線多機對抗攻擊，均能有效完成攻擊任務(wù)，驗證了紅藍雙方多機狀態(tài)武器管理邏輯正確，空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)正確。具體試驗結(jié)果見圖8。

結(jié)論

制空型無人機武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件是在深入分析課題功能需求的基礎(chǔ)上進行設(shè)計和開發(fā)，并在試驗驗證中采用多種目標生成方法和載機飛行狀態(tài)，均能有效完成攻擊任務(wù)，驗證了武器控制管理邏輯的正確性，空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)的正確性。能夠滿足制空型無人機課題使用需求。