一種無人機目標(biāo)打擊半實物仿真實驗方法

李媛媛，馬云飛，劉晨，趙鑫宇

本文提出一種方便快捷的半實物仿真方法，用于驗證察打一體無人機的目標(biāo)打擊性能。該方法將無人機導(dǎo)引頭引入半實物仿真網(wǎng)絡(luò)，采用計算機模擬方法，生成目標(biāo)區(qū)域的三維場景影像，實現(xiàn)目標(biāo)打擊的半實物仿真。本文對導(dǎo)引頭視場區(qū)域的可視范圍進行計算，設(shè)計一種半實物仿真實驗方法，并完成半實物仿真實驗，證明該方法的可行性。

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機的應(yīng)用越來越廣泛。察打一體無人機具備目標(biāo)偵察、識別、鎖定和打擊功能，可同時執(zhí)行偵察和打擊任務(wù)，其作戰(zhàn)運用越來越受軍方的重視。

半實物仿真實驗是驗證無人機系統(tǒng)功能的重要手段。傳統(tǒng)導(dǎo)彈打擊目標(biāo)的半實物實驗基于五軸轉(zhuǎn)臺，內(nèi)三軸轉(zhuǎn)臺模擬導(dǎo)彈運動，外兩軸轉(zhuǎn)臺模擬目標(biāo)運動。導(dǎo)彈、導(dǎo)彈慣性部件以及導(dǎo)引頭放置于內(nèi)三軸轉(zhuǎn)臺，專用目標(biāo)模擬器放置于外兩軸轉(zhuǎn)臺。半實物仿真實驗須要專業(yè)仿真實驗室及其配套基礎(chǔ)設(shè)施，專業(yè)性強，實驗效果好，但是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)須要較大的資金投入，不適合無人機目標(biāo)打擊實驗。

本文提出一種基于三軸轉(zhuǎn)臺的實驗方法，對配置可見光導(dǎo)引頭的無人機開展目標(biāo)打擊仿真實驗。在實驗過程中，將無人機置于三軸轉(zhuǎn)臺上，用計算機模擬導(dǎo)引頭的視場和目標(biāo)，導(dǎo)引頭通過高速串口采集計算機模擬的影像，飛控器導(dǎo)引無人機飛向目標(biāo)，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)模擬無人機運動，配合飛控器解算得到的舵量，完成無人機目標(biāo)打擊實驗。

目標(biāo)打擊仿真實驗的基本原理

相對運動原理

假設(shè)在某一時刻，打擊目標(biāo)位于T點，無人機位于M點。選取水平面為基準(zhǔn)面，建立坐標(biāo)系，X、Y軸組成水平面，Z軸垂直于水平面，如圖1所示。

圖1 相對運動坐標(biāo)系。

其中，連線MT稱為視線，q為視線與水平面的夾角，p為視線在水平面上的投影與X軸的夾角，V為無人機速度矢量，α為彈道傾角，β為彈道偏角。則比例導(dǎo)引律為：

無人機三維圖形仿真技術(shù)

計算機圖形繪制技術(shù)利用計算機圖形技術(shù)模擬真實場景，可用于無人機仿真實驗。本文研究的無人機目標(biāo)打擊仿真屬于無人機仿真實驗中的一種，使用計算機圖形繪制技術(shù)描繪真實地形地貌以及無人機的飛行環(huán)境。該技術(shù)分為三維地理信息系統(tǒng)（GIS）場景、目標(biāo)造型、取景變換和光柵化、可見性計算、可見點處的光亮度計算等模塊。其中，目標(biāo)造型、亮度計算、可見性計算等模塊涉及計算機圖形學(xué)技術(shù)，在計算機圖形學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，技術(shù)基礎(chǔ)成熟。而涉及三維地理信息系統(tǒng)和無人機飛行過程的聯(lián)合場景仿真模擬，須要我們重點關(guān)注。

在計算機創(chuàng)建的三維場景中，物體的造型總是在某個坐標(biāo)系中生成。我們稱場景中物體造型所取的坐標(biāo)系為場景坐標(biāo)系，場景坐標(biāo)系包括場景局部坐標(biāo)系和場景世界坐標(biāo)系。在造型和場景設(shè)計過程中，在物體上或物體附近建立一個局部坐標(biāo)系，可給物體的表示和運動描述帶來諸多方便和靈活性，而利用世界坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，可完成物體運動的模擬計算。

無人機飛行運動也涉及多個坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換，主要有固連在地球上、相對大地不動的地面參考坐標(biāo)系；和固連在無人機重心上、相對無人機不動的機體坐標(biāo)系，將無人機運動狀態(tài)量的解算分解到上述兩個坐標(biāo)系中，可滿足絕大多數(shù)飛行狀態(tài)的計算需求。

模擬無人機在計算機三維場景中的運動，可將計算機場景中的坐標(biāo)系和無人機飛行動力學(xué)中的坐標(biāo)系結(jié)合起來。把與地球相關(guān)的地面參考坐標(biāo)系，作為場景的世界坐標(biāo)系，其原點為場景中的原點；把無人機機體的坐標(biāo)系，作為無人機模型的局部坐標(biāo)系，其原點設(shè)于無人機的重心處。則無人機的實際三維運動和計算機場景的三維運動數(shù)據(jù)重合，以及將經(jīng)緯度、高度等GIS數(shù)據(jù)解算到地面參考坐標(biāo)系中，可在計算機三維場景中對無人機進行仿真模擬和計算。

相對目標(biāo)計算

將運動學(xué)坐標(biāo)系和三維場景坐標(biāo)系固連，可得到無人機在三維場景中的位置。但本文須要的是從導(dǎo)引頭視角看到的場景，依據(jù)上節(jié)所述的無人機三維仿真原理，添加導(dǎo)引頭坐標(biāo)系，以及導(dǎo)引頭三維模型的局部坐標(biāo)系，并計算導(dǎo)引頭局部坐標(biāo)系下包含虛擬目標(biāo)的三維世界場景，即可得到基于導(dǎo)引頭視角的場景。

導(dǎo)引頭瞄準(zhǔn)顯示場景中的虛擬目標(biāo)外觀的三維模型，虛擬目標(biāo)和場景隨著無人機的相對運動而變換，虛擬目標(biāo)和場景的位置、區(qū)域和尺度的相關(guān)仿真計算，決定導(dǎo)引頭目標(biāo)捕捉特性的真實性，決定視線角速率能否真正模擬彈目相對運動的變化。

為簡化計算，將虛擬目標(biāo)設(shè)為質(zhì)點，沒有尺度和旋轉(zhuǎn)特性，而真實目標(biāo)的尺度和旋轉(zhuǎn)特性作為場景的一部分，跟隨場景的變換而變換。這樣的話，虛擬三維場景在地面上的投影，可以簡化為以目標(biāo)點為中心，以導(dǎo)引頭框架角視場范圍為邊界的一個橢圓形圖形，進一步以一個外包矩形將橢圓形全部覆蓋，則該矩形區(qū)域如圖2所示。

在圖2中，XYZ坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，X、Y軸組成的平面為水平面，M點為無人機坐標(biāo)點，T為目標(biāo)，為視線，M' 為無人機在地面上的投影，MM ' 為無人機飛行高度，θ為視線與垂線MM'的夾角，Ω為導(dǎo)引頭縱向框架角范圍的半角，η為導(dǎo)引頭橫向框架角范圍的半角，矩形ADCB為導(dǎo)引頭視場投影范圍，則w和h1、h2代表該矩形的寬和長，即為所要計算的值。其中，線段MM 、線段MT已知，∠θ、∠ Ω、∠η已知。

圖2 導(dǎo)引頭可視區(qū)域在大地的投影。

為方便計算，在導(dǎo)引頭視點處建立導(dǎo)引頭坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)引頭坐標(biāo)系的可視區(qū)域。

導(dǎo)引頭坐標(biāo)系X'Y'Z'依據(jù)參考坐標(biāo)系建立，Z'軸沿視線方向，則目標(biāo)點T的坐標(biāo)為（0，0，MT），經(jīng)簡單三角函數(shù)計算可得，B2點的坐標(biāo)為MT），A1點的坐標(biāo)為A2點的坐標(biāo)為于是可得A、B、C、D四點在導(dǎo)引頭坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

設(shè)導(dǎo)引頭當(dāng)前縱向框架角為EB，橫向框架角為EH，則導(dǎo)引頭坐標(biāo)系到機體坐標(biāo)系的方向余弦矩陣為：

以點A為例，點A在導(dǎo)引頭坐標(biāo)系的坐標(biāo)矢量為在參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)矢量為則有

由于點A在導(dǎo)引頭坐標(biāo)系的坐標(biāo)已知，即已知，則SA可求解。

同樣，點B、C、D在參考系的坐標(biāo)可求解。即矩形ADCB的各個坐標(biāo)已知，可計算出導(dǎo)引頭的視場。

半實物仿真實驗

仿真實驗設(shè)計

無人機目標(biāo)打擊半實物仿真實驗方法是根據(jù)虛擬目標(biāo)的經(jīng)緯度，將目標(biāo)放置在場景中。當(dāng)無人機搜索目標(biāo)區(qū)域時，若目標(biāo)進入導(dǎo)引頭視場，則在三維場景中可見目標(biāo)，導(dǎo)引頭即刻鎖定目標(biāo)，在場景中，目標(biāo)位置在圖像上的投影點，距離導(dǎo)引頭視場中心的差距，即可形成導(dǎo)引頭脫靶量，導(dǎo)引律開始工作，控制無人機飛向目標(biāo)，目標(biāo)位置和導(dǎo)引頭視場中心逐漸重合，即無人機已經(jīng)對準(zhǔn)目標(biāo)。

為驗證所設(shè)計方法的正確性，本文設(shè)計半實物仿真實驗，將導(dǎo)引頭、場景仿真計算機接入仿真網(wǎng)絡(luò)，仿真實驗結(jié)構(gòu)組成詳見圖4。

圖4 半實物仿真實驗結(jié)構(gòu)圖。

其中，目標(biāo)生成計算機負(fù)責(zé)計算場景的位置、范圍等信息，并通過網(wǎng)絡(luò)將其輸出到圖形計算機，圖形計算機根據(jù)這些信息生成目標(biāo)區(qū)域的場景圖像，導(dǎo)引頭掃描生成的該場景圖像并鎖定目標(biāo)，由此產(chǎn)生導(dǎo)引信息，經(jīng)飛控計算機計算，產(chǎn)生控制舵量，驅(qū)動半實物仿真計算機模擬計算無人機的運動，而無人機的運動數(shù)據(jù)驅(qū)動目標(biāo)生成計算機生成導(dǎo)引頭視場范圍，再經(jīng)過圖形計算機解算地理信息系統(tǒng)和目標(biāo)造型等計算機圖形信息，進而完成目標(biāo)打擊的半實物仿真實驗。

半實物仿真實驗

圖6 導(dǎo)引頭連接圖。

設(shè)定無人機初始位置為X0（34.9431735，113.246956，300），如圖5所示藍色實點，無人機沿矩形航線飛行，航線點如圖5所示紅色實點，坐標(biāo)為（34.9598752，113.24128，1000），（34.9403808，113.1978368，1000），（34.927536，113.2034944，1000），（34.9476192，113.246272，1000）。為方便導(dǎo)引頭檢索目標(biāo)，目標(biāo)如圖5所示黑色三角點，位置設(shè)在航線延長線上，坐標(biāo)為（34.9550005，113.2588795，85.62）。其中，目標(biāo)的高度為當(dāng)?shù)睾０胃叨?，確保目標(biāo)位于地面之上。

圖5 無人機飛行航跡示意圖。

仿真開始時刻，無人機由起始點向最近航點飛行，進入航線后沿航線爬升至1000m高度，搜索并鎖定目標(biāo)，直至命中目標(biāo)。無人機飛行航跡如圖5所示的藍色實線。

將導(dǎo)引頭接入半實物仿真網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)引頭連接目標(biāo)場景計算機，接收圖像，計算導(dǎo)引律，并將導(dǎo)引信息輸出并傳給飛控計算機。

在圖7中，假設(shè)目標(biāo)為小型雷達站，無人機搜索并發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，操控人員操作導(dǎo)引頭鎖定目標(biāo)。導(dǎo)引頭回傳的圖像詳見圖7。

圖7 導(dǎo)引頭鎖定目標(biāo)。

一旦鎖定目標(biāo)，導(dǎo)引頭引導(dǎo)無人機攻擊目標(biāo)。期間，導(dǎo)引頭光軸和無人機機體軸逐漸重合，導(dǎo)引頭框架角逐漸歸零，這時無人機已對準(zhǔn)目標(biāo)，如圖8所示。無人機接近目標(biāo)直至完成目標(biāo)打擊（見圖9，圖10）。至此，無人機目標(biāo)打擊半實物仿真實驗全部完成。

圖8 無人機對準(zhǔn)目標(biāo)。

圖9 無人機抵近目標(biāo)時導(dǎo)引頭回傳圖像。

圖10 無人機打擊目標(biāo)三維視景圖。

結(jié)論

本文提出的半實物仿真實驗方法，是將導(dǎo)引頭接入半實物仿真網(wǎng)絡(luò)，并未采用五軸轉(zhuǎn)臺實驗方法。實驗結(jié)果表明，該方法可方便快捷地實現(xiàn)目標(biāo)打擊仿真實驗，以較低的成本實現(xiàn)了導(dǎo)引頭及整個無人機系統(tǒng)功能的驗證。

但是，在整個仿真流程中，導(dǎo)引頭不采集真實圖像，無法體現(xiàn)光照、反射等真實環(huán)境。下一步，相關(guān)技術(shù)人員將改進實驗方案，進一步提升仿真實驗的效果。