無人機載武器預先準備控制邏輯和仿真研究

聶光戍，王 勇，邢 馳，謝 磊

（空軍工程大學航空工程學院，西安710038）

1 引 言

在當前多個局部沖突中，無人機對地攻擊效果顯著，但這種攻擊仍依賴于“人在回路”的地面操控和地面站與無人機之間的數(shù)據(jù)通訊。無人機真正完全獨立自主的對目標進行攻擊將是未來的發(fā)展方向，這離不開無人機自主攻擊決策系統(tǒng)。自主攻擊決策系統(tǒng)是無人作戰(zhàn)飛機完成作戰(zhàn)任務的重要系統(tǒng)，包括目標信息傳感器和任務軟件。而任務軟件必須具備的功能之一是進行武器發(fā)射/投放前的預先準備以滿足發(fā)射/投放條件。目前對無人機自主攻擊的研究主要集中于航跡規(guī)劃、攻擊決策、態(tài)勢評估等方面［1-2］，本文著重于對無人機自主決策攻擊系統(tǒng)的武器預先準備控制邏輯進行分析和仿真建模，為自主決策攻擊系統(tǒng)的優(yōu)化打下基礎。

2 機載武器預先準備的特點

機載武器的預先準備根據(jù)武器類型不同而不同，總體上包括以下幾個方面：武器所需不同狀態(tài)電壓電流的供給，武器導引頭位標器的目標指示，陀螺定位儀校準和武器投放或發(fā)射初始條件的輸入，武器導引程序的輸入，引信起動控制和引信設定值的輸入等。相應地，在武器的組成中包括以下部分：武器電源供應部件、目標指示部件、陀螺定位儀校準部件和投放或發(fā)射初始條件輸入部件、導引程序輸入部件、引信起動控制儀和引信設定值輸入部件等。在無人機的自主攻擊決策系統(tǒng)中有不同武器的任務軟件，根據(jù)任務軟件的調度，進行該種武器發(fā)射前的預先準備［3］。

3 機載武器預先準備模型結構和控制邏輯

3.1 電源供應部件模型結構和控制邏輯

電源供應部件的功能主要是保證在發(fā)射或投放前由載機供電、發(fā)射或投放后轉換為由武器自身供電，在供電轉換時對武器自身供電的參數(shù)進行判斷以確定是否達標。電源供應部件包括變流器和穩(wěn)壓器、武器自身電源鑒別部件和轉換電路等［4］。變流器和穩(wěn)壓器將載機來的電源轉換成適合于武器的電源；武器自身電源鑒別部件用于檢驗武器所產生的電源是否達到標稱值；轉換電路用于由電源供應部件供電轉換到武器自身供電，并形成允許武器分離的信號。

圖1 是電源供應部件的模型結構和控制邏輯圖。載機給電源變換器和穩(wěn)定器及轉換電路供電后形成指令S2，在轉換電路的作用下斷開武器的自身供電。電源變流器和穩(wěn)壓器產生電壓U1、U2、…Un給需要者。這種狀態(tài)保持到武器分離前。

在有指令S0時進入到武器自身電源狀態(tài)，產生的電壓U′供給鑒定部件，在電壓的被測參數(shù)達到標稱值時鑒定部件形成指令S1，在S1的作用下轉換電路取消指令S2并形成指令S3。指令S2的取消促使電源變換器和穩(wěn)定器斷開，武器轉為自身供電。指令S3傳給機載計算機系統(tǒng)以表示允許武器分離。

3.2 導引頭目標指示部件模型結構和控制邏輯

導彈導引頭的類型不同，其目標指示的工作過程不同，相應的控制邏輯就不同?，F(xiàn)以紅外導引頭的目標指示過程為例分析其模型結構和控制邏輯。

圖1 電源供應部件模型結構和控制邏輯Fig.1 The mode structure and control logic of electric power supply component

紅外導引頭目標指示部件的主要功能是在導彈發(fā)射前控制導引頭對目標選擇截獲、檢驗截獲目標可靠性、形成發(fā)射前準備好的導引頭指令及將導引頭轉到自動跟蹤目標的狀態(tài)。

目標指示的第一個階段——對目標選擇截獲，選擇截獲目標的功能由目標選擇截獲控制系統(tǒng)來完成，在目標指示過程中它與無人機瞄準系統(tǒng)和導彈導引頭相互作用，該功能在瞄準過程中緊隨著瞄準任務而完成，是目標指示的第一個階段。

為了實現(xiàn)對目標的選擇截獲必須提供被選擇截獲目標的典型特征信息［5］。這些典型特征信息通常指目標到攻擊機的距離、目標角坐標、目標接近或離開攻擊機的速度及瞄準線角速度等。

瞄準導航系統(tǒng)傳感器獲取目標的信息，用于調整位標器定向角、位標器軸的轉動角速度和其它參數(shù)。根據(jù)進入到目標指示部件的信息，目標選擇截獲控制系統(tǒng)形成相應的誤差信號，并形成控制指令傳到導引頭的執(zhí)行裝置中。在這些指令的作用下，所選目標的信號通過導引頭的接收通道，并調整導引頭。導引頭的調整誤差信號為0 時表示達到了所需的調整，目標選擇截獲控制到此結束。

目標指示的第二個階段——檢驗導引頭截獲目標的可靠性，采用有用目標信號和人為輸入干擾信號的比較、目標信號頻率振幅分析等手段來檢驗。

目標指示的兩個階段可重合在一起。如果檢驗結果表明截獲可靠性不高，系統(tǒng)需轉回到第一個階段，如此反復，直到截獲可靠為止。

目標指示的第三個階段——形成導彈發(fā)射前導引頭準備好的指令，并將導引頭轉到自動跟蹤目標的狀態(tài)，這是在可靠截獲目標的情況下完成的［6］。這個指令通常是在導引頭截獲目標可靠性檢驗系統(tǒng)中形成的，它是導彈發(fā)射的必須條件之一。

目標指示部件模型結構和控制邏輯如圖2 所示。根據(jù)由瞄準導航系統(tǒng)進入來的信息p（關于所選擇目標的標志），以及由位標器給出的實際參數(shù)量q，選擇截獲控制系統(tǒng)得出誤差信號Δ=p-q，并形成控制指令U（Δ），傳給位標器執(zhí)行裝置，使位標器進入到所需的狀態(tài)，當誤差信號Δ=0 時位標器開始接收所選擇目標的信號，即實現(xiàn)它的截獲。同時信號Δ進入到目標截獲可靠性檢驗系統(tǒng)，當Δ=0 時，形成指令S1，在指令S1的作用下位標器轉入到自動跟蹤目標的狀態(tài)，同時目標信號r進入到目標截獲可靠性檢驗系統(tǒng)。在對這個信號進行分析并得出可靠的截獲目標時，形成導彈發(fā)射前導引頭準備好的指令S2。

圖2 導引頭目標指示部件的模型結構和控制邏輯Fig.2 The mode structure and control logic of target indication component of seeker

在有些情況下信號r不進入目標指示部件中，是否可靠地截獲目標要根據(jù)誤差信號Δ的大小確定。隨著信號S1形成，位標器的調整被干擾，導致信號Δ增大。如果這個干擾被位標器自動跟蹤系統(tǒng)補償，并且穩(wěn)定地接收目標信號，目標截獲可靠性檢驗系統(tǒng)形成指令S2。

3.3 其它預先準備的控制邏輯

導引程序輸入部件用于向武器輸入導引程序，導引武器飛向目標。根據(jù)攻擊條件、目標的性質和其它影響因素的不同，飛行彈道會有所不同，具體表現(xiàn)為武器的飛行路線、在飛行路線上固定點處的參數(shù)值（飛行方向、高度、速度及它們隨時間的變化等）不同［7］。在武器的預先準備過程中從載機的火控系統(tǒng)向武器傳送有序的運動參數(shù)值集合（按武器飛行路線固定點號），這些參數(shù)值是通過程序預先設定的。發(fā)射后在飛行彈道上相應的彈載傳感器測量武器運動參數(shù)，構成武器運動參數(shù)測量值。按照所需值和測量值形成失調量，進一步形成控制信號，從而完成在該固定點處的導引控制［8］。

引信起動控制儀由起動系統(tǒng)、爆炸系統(tǒng)和自炸系統(tǒng)組成。起動和爆炸系統(tǒng)用于在平時保存、飛機上運輸和在彈道上處于禁止爆炸的區(qū)域范圍內飛行時排除武器爆炸的可能性。自炸系統(tǒng)用于在自主飛行彈道上脫靶或出現(xiàn)應急情況時，為了保證己方地面部隊和財產安全或保密方面的考慮而銷毀武器［9］。對于無控炸彈而言，其控制邏輯相對簡單，主要就是通過爆控機構、掛機索和爆控拉桿控制引信的起動。根據(jù)作戰(zhàn)任務，通過輸入部件完成遠解保險時間和延期作用時間的裝訂。對于導彈而言，引信的工作受導彈飛控組件的控制，在飛行過程中和與目標遭遇時按照一定的控制邏輯進行，不屬于預先準備的程序。

根據(jù)武器的不同，還有其它一些預先準備程序，如紅外導引頭的制冷、陀螺定位儀校準和武器投放或發(fā)射初始條件的輸入等，都可作出類似的模型結構和控制邏輯分析。

4 機載武器預先準備的仿真

4.1 仿真方案

設計仿真實驗用以檢驗各種武器預先準備的控制邏輯［10］，武器預先準備控制邏輯仿真框架如圖3 所示。仿真計算機中存有各種武器的預先準備程序，武器類型不同，預先準備的程序不同，圖中給出了幾種典型的預先準備功能仿真模塊：電源變換部件仿真模塊、目標指示部件仿真模塊、導引程序輸入部件仿真模塊和引信設定輸入部件仿真模塊。各仿真模塊傳給武器的信號用X4i（i=1～4）表示。各種功能仿真模塊和信息變換通道的接通或斷開由指令Ui（i=1～4）控制，指令Ui由仿真計算機控制。以Si（i=1～4）表示完成相應操作后武器的回饋信號，而關于武器狀態(tài)良好性的信息以S0表示。

圖3 武器預先準備控制邏輯仿真框架Fig.3 The simulation framework of the pre-preparation control logic of the weapon

4.2 仿真實驗控制邏輯

回饋信號S1進入武器預先準備程序仿真計算機的條件是：武器良好（信號S0存在），電源供應部件與對應的信息變換通道接通（U1指令存在），電源進入武器（信號X41存在）。機載計算機根據(jù)回饋信號S1的進入［11］，確定電源供應的完成，有如下控制邏輯表達式：

對回饋信號S2、S3、S4可寫出類似的表達式：

假設某種武器預先準備時需要完成電源供應、導引程序輸入和引信設定（該種武器無需目標指示），那么回饋信號S1、S3、S4進入到機載計算機中，這說明已完成了發(fā)射前的準備操作，實現(xiàn)了從電源供應部件來的電源供應（S1=1），進行了導引程序的輸入（S3=1）和對引信裝置按需要進行了調整（S4=1）。此后，在機載計算機中形成信號ZH，用以表示武器非良好或未準備好運用，ZH可表示為：

將S1、S2、S3、S4的表達式代入并變化得：

根據(jù)武器預先準備內容的不同，可寫出相應的預先準備控制邏輯表達式。

4.3 仿真結論

式（6）表示，如果某種武器的某一自動裝置非良好（-S0=1），或某一信息變換通道未接通（-Ui=1，i=2～4），或某個信號X4i未進入到武器自動裝置（-X4i=1，i=2～4），那么武器被認為非良好或未準備好運用，就不能進行發(fā)射或投放；相反，如果ZH=0，那么武器被認為準備好了，作為武器發(fā)射或投放的判定條件［12］。武器準備好，并且處于攻擊區(qū)或滿足發(fā)射/投放的距離角度條件，就可以自主發(fā)射或投放該武器［13］。通過仿真可驗證該控制邏輯是否正確。

利用武器發(fā)射前預先準備的控制邏輯，在地面可以進行武器半實物或計算機仿真，對武器和無人機的自主攻擊決策系統(tǒng)的發(fā)射控制程序進行聯(lián)合設計和檢驗［14］。

5 結 論

自主攻擊決策系統(tǒng)對無人機載武器進行發(fā)射/投放前的預先準備是其功能之一，在根據(jù)目標選定武器后，通過機載計算機武器預先準備程序，根據(jù)選定武器的特點進行發(fā)射前的預先準備。對無人機載武器預先準備模型結構和控制邏輯的分析研究將為自主攻擊決策系統(tǒng)控制程序的優(yōu)化打下基礎。在融入人工智能技術并與實時信息網柔性結合后，自主攻擊決策系統(tǒng)將更為先進，無人機將可以執(zhí)行各種更為復雜的作戰(zhàn)任務，甚至包括將來的無人機空戰(zhàn)［15］。