羅 欣，呂 鳴，郭鴻武

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

基于GPS/SINS制導(dǎo)控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅 欣，呂 鳴，郭鴻武

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

介紹了基于GPS/SINS的制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)和半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成,詳細(xì)闡述了半實(shí)物仿真試驗(yàn)的目的、內(nèi)容、試驗(yàn)原理及主要仿真設(shè)備的各項(xiàng)功能。設(shè)計(jì)了半實(shí)物仿真軟件及半實(shí)物仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ退拥恼`差干擾,搭建半實(shí)物仿真環(huán)境,開(kāi)展了半實(shí)物仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:半實(shí)物系統(tǒng)能有效模擬制導(dǎo)炸彈飛行過(guò)程,對(duì)制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面仿真驗(yàn)證,為飛行靶試試驗(yàn)提供了技術(shù)支撐,對(duì)制導(dǎo)炸彈飛行彈道評(píng)估和保證型號(hào)項(xiàng)目研制進(jìn)度有重要的意義。

制導(dǎo)炸彈；制導(dǎo)控制系統(tǒng)；半實(shí)物仿真；仿真軟件

0 引言

制導(dǎo)炸彈是一種空對(duì)地的航空制導(dǎo)彈藥,是精確制導(dǎo)武器的重要組成部分,是戰(zhàn)斗轟炸機(jī)、強(qiáng)擊機(jī)等空中力量對(duì)地(海)面建筑物、橋梁、中小型指揮所、機(jī)場(chǎng)跑道、防空雷達(dá)陣地、水面艦艇等多種軍事目標(biāo)實(shí)施精確打擊的重要手段。在冷戰(zhàn)后的歷次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中,精確制導(dǎo)炸彈被廣泛使用,取得了輝煌的作戰(zhàn)效果。它的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、命中精度較高、造價(jià)低、效費(fèi)比高[1-3]。

制導(dǎo)控制系統(tǒng)是制導(dǎo)炸彈上的主要分系統(tǒng),也是實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)炸彈作戰(zhàn)性能的關(guān)鍵分系統(tǒng)。在制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的研制過(guò)程中，有限的飛行試驗(yàn)不能充分暴露問(wèn)題,同時(shí)受到環(huán)境條件的限制,無(wú)法替代系統(tǒng)仿真,尤其是半實(shí)物仿真。而且,通過(guò)半實(shí)物仿真可以避免武器系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真中復(fù)雜非線(xiàn)性時(shí)變環(huán)節(jié)的建模,檢驗(yàn)各參試設(shè)備的功能和性能,考核設(shè)備間的協(xié)調(diào)性。本文設(shè)計(jì)了某型制導(dǎo)炸彈的半實(shí)物仿真系統(tǒng),詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的組成和原理,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的仿真軟件[4-5]。

制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真是集仿真建模、高性能實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)運(yùn)行控制、高速實(shí)時(shí)通信于一體的試驗(yàn)驗(yàn)證[6]。半實(shí)物仿真系統(tǒng)將彈載設(shè)備接入仿真系統(tǒng)中,能在地面條件下盡可能地模擬制導(dǎo)炸彈在空中的飛行過(guò)程,預(yù)測(cè)制導(dǎo)控制系統(tǒng)的控制效果。由于仿真系統(tǒng)中包含了執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物,因而能夠反映出執(zhí)行機(jī)構(gòu)中存在的飽和、間隙、死區(qū)等非線(xiàn)性特性給制導(dǎo)控制系統(tǒng)帶來(lái)的影響。通過(guò)半實(shí)物仿真,能夠?qū)χ茖?dǎo)控制系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià),檢驗(yàn)系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的正確性,對(duì)制導(dǎo)控制律的正確性與有效性進(jìn)行驗(yàn)證,為完善設(shè)計(jì)提供依據(jù),以保證系統(tǒng)達(dá)到總體的指標(biāo)要求。

1 制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成

制導(dǎo)控制系統(tǒng)主要由慣性測(cè)量裝置(IMU)、彈載計(jì)算機(jī)(包括飛控計(jì)算機(jī)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī))、衛(wèi)星接收機(jī)、舵系統(tǒng)等組成。圖1所示為制導(dǎo)控制系統(tǒng)(實(shí)框部分)原理及與內(nèi)外部連接示意圖。

圖1 制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成原理圖Fig.1 Schematic diagram of the composition principle of the guidance and control system

2 制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

1)優(yōu)化制導(dǎo)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)。通過(guò)系統(tǒng)半實(shí)物仿真閉環(huán)試驗(yàn),驗(yàn)證制導(dǎo)律設(shè)計(jì)的正確性,優(yōu)化控制參數(shù)。

2)檢驗(yàn)制導(dǎo)控制系統(tǒng)軟、硬件功能的協(xié)調(diào)性。通過(guò)半實(shí)物仿真試驗(yàn)驗(yàn)證軟件功能的完善性,系統(tǒng)各部件之間的連接關(guān)系、系統(tǒng)軟件與硬件接口關(guān)系、系統(tǒng)的極性、供電關(guān)系的正確性。

3)驗(yàn)證制導(dǎo)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。在系統(tǒng)指標(biāo)基本滿(mǎn)足要求的基礎(chǔ)上,在仿真系統(tǒng)中加入各種隨機(jī)干擾和環(huán)境條件,特別是各種邊界條件,進(jìn)行各種干擾的靈敏度分析,驗(yàn)證制導(dǎo)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

3 半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的組成及工作原理

半實(shí)物仿真又稱(chēng)硬件在回路仿真,是將計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)實(shí)際部件與物理效應(yīng)裝置相結(jié)合的仿真方式。半實(shí)物仿真的基本思想是用實(shí)物代替那些不準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,能克服某些部件由于建模不準(zhǔn)造成的仿真誤差,在很大程度上避免了數(shù)學(xué)仿真的不足,是仿真技術(shù)中置信度較高的一種方法。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)看,半實(shí)物仿真由于允許在系統(tǒng)中接入部分實(shí)物,以考察檢驗(yàn)該裝置是否滿(mǎn)足系統(tǒng)整體性能指標(biāo),從而成為提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性和研制質(zhì)量的必要手段[7-8]。

制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真遵循將制導(dǎo)控制系統(tǒng)部件和物理效應(yīng)設(shè)備逐步加入仿真閉環(huán)中的原則,閉環(huán)規(guī)模由小到大,直至形成完整的半實(shí)物仿真平臺(tái)。在試驗(yàn)時(shí),將彈載計(jì)算機(jī)、舵系統(tǒng)、IMU依次接入閉環(huán)系統(tǒng),完整的半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成圖Fig.2 Composition diagram of the hardware in the loop simulation system

在飛行器動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)上建立飛行器的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;系統(tǒng)上電后,彈載計(jì)算機(jī)按正常流程通過(guò)GJB289A總線(xiàn)接收總控/火控模擬計(jì)算機(jī)發(fā)送的目標(biāo)參數(shù)和導(dǎo)航信息初始值;慣性測(cè)量裝置安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上,轉(zhuǎn)臺(tái)與飛行器動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)通過(guò)光纖連接;“投放”指令后,飛行器動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)將計(jì)算出的彈體姿態(tài)角速度送給轉(zhuǎn)臺(tái)控制器,控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng),安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的慣性測(cè)量裝置將敏感到的彈體角速度信息輸出給飛行器動(dòng)力學(xué)仿真機(jī);飛行器動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)將解算出的比力與慣性測(cè)量裝置輸出的飛行器角速度信息進(jìn)行融合,傳送給彈載計(jì)算機(jī);彈載計(jì)算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航解算;衛(wèi)星接收機(jī)接收GPS模擬器發(fā)送的模擬GPS信號(hào),并將信息發(fā)給彈載計(jì)算機(jī)進(jìn)行組合導(dǎo)航解算;彈載計(jì)算機(jī)進(jìn)行制導(dǎo)律解算,通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換將解算出的舵控制指令送給舵系統(tǒng),并通過(guò)A/D采集卡采集舵系統(tǒng)的舵機(jī)反饋信號(hào)用于彈體模型解算;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù),供試驗(yàn)后分析比對(duì)。

4 主要仿真設(shè)備

4.1 飛行器動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)

飛行器動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)選用德國(guó)dSPACE仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)是基于實(shí)時(shí)半實(shí)物仿真技術(shù)的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及測(cè)試的工作平臺(tái),系統(tǒng)既包括軟件,又包括硬件。dSPACE系統(tǒng)的軟件與Matlab/Simulink完全無(wú)縫連接,高度自動(dòng)化的代碼生成、下載和友好的試驗(yàn)、調(diào)試軟件環(huán)境使得應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程快速易行;專(zhuān)用硬件具有高速計(jì)算和信號(hào)I/O能力,能夠很好地滿(mǎn)足制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實(shí)物試驗(yàn)和測(cè)試需求。飛行器動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)組成包括:

1)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)軟件:

a)仿真建模工具M(jìn)atlab&Simulink;

b)實(shí)時(shí)接口驅(qū)動(dòng)程序模型庫(kù)RTI;

c)代碼生成和編譯工具;

d)仿真監(jiān)控管理軟件。

2)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)硬件:

a)PowerPC處理器;

b)AD板卡——DS2103;

c)DA板卡——DS2003;

d)DIO板卡——DS4003;

e)RS232/422/485串口卡——DS4201S;

f)MIL-STD-1553B總線(xiàn)——DS4501;

g)光纖反射內(nèi)存網(wǎng)接口板——DS4201。

4.2 臥式三軸轉(zhuǎn)臺(tái)

臥式三軸轉(zhuǎn)臺(tái)是在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬制導(dǎo)炸彈在空中三軸姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的仿真設(shè)備。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中,三軸轉(zhuǎn)臺(tái)接收由飛行器動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)光纖反射內(nèi)存網(wǎng)接口卡輸出的三軸姿態(tài)角速度信息,驅(qū)動(dòng)框架轉(zhuǎn)動(dòng),以模擬飛行器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。仿真時(shí)外框?qū)?yīng)俯仰角,中框?qū)?yīng)偏航角,內(nèi)框?qū)?yīng)滾轉(zhuǎn)角,慣性測(cè)量裝置安裝在內(nèi)框[9-10]。

4.3 GPS信號(hào)模擬器

GPS信號(hào)模擬器用來(lái)在半實(shí)物仿真試驗(yàn)中給GPS接收裝置提供信號(hào)源。

GPS信號(hào)模擬器由信號(hào)發(fā)生器、控制主機(jī)和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)組成，具有高動(dòng)態(tài)、高精度的信號(hào)模擬質(zhì)量,可配置高動(dòng)態(tài)測(cè)試場(chǎng)景。通過(guò)反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)時(shí)接收載體運(yùn)動(dòng)軌跡,實(shí)時(shí)生成衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù),能滿(mǎn)足半實(shí)物仿真的需求。

4.4 舵機(jī)負(fù)載模擬器

舵機(jī)負(fù)載模擬器用于模擬舵機(jī)的鉸鏈力矩加載。為了加載方便,通常將舵面卸下,直接將力矩加載到舵機(jī)輸出軸上。

4.5 總控及載機(jī)火控模擬分系統(tǒng)

總控及載機(jī)火控模擬分系統(tǒng)主要由總控及載機(jī)火控模擬軟件、工控機(jī)、以太網(wǎng)接口、RS232/422串口、GJB289A總線(xiàn)、數(shù)字離散量IO板卡和發(fā)射投放模擬裝置組成。主要功能是完成系統(tǒng)仿真試驗(yàn)前主要設(shè)備啟動(dòng)自檢、初始化參數(shù)設(shè)置、模擬發(fā)射前載機(jī)飛行狀態(tài)和火控系統(tǒng)工作流程,控制并監(jiān)視試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。其在綜合性能實(shí)驗(yàn)室中的主要作用是:

1)總檢查作用,保證試驗(yàn)運(yùn)行前各設(shè)備狀態(tài)良好;

2)總控制作用,發(fā)起和終止各設(shè)備和參試產(chǎn)品運(yùn)行;

3)初始參數(shù)統(tǒng)一作用,保證彈體動(dòng)力學(xué)模型、彈載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品裝訂參數(shù)、試驗(yàn)物理效應(yīng)設(shè)備在發(fā)射零秒時(shí)刻初始參數(shù)一致;

4)仿真時(shí)刻同步作用,保證彈體動(dòng)力學(xué)模型實(shí)時(shí)仿真計(jì)算、彈載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品解算、物理效應(yīng)設(shè)備運(yùn)行在“發(fā)射零秒”時(shí)刻的時(shí)鐘同步性。

5 半實(shí)物仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

仿真軟件在Matlab平臺(tái)下進(jìn)行開(kāi)發(fā),采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、彈體信息模塊等。

轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊:主要實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)時(shí)控制,模擬制導(dǎo)炸彈的飛行狀態(tài);

數(shù)據(jù)通信模塊:主要完成A/D及D/A卡初始化,DIO卡初始化、串口初始化以及模擬GPS數(shù)據(jù)及加表數(shù)據(jù)的發(fā)送;

彈體信息模塊:主要包括彈體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、彈體動(dòng)力學(xué)模型、空氣及大氣模型、空氣動(dòng)力和動(dòng)力矩模型、角度關(guān)系、彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型。微分方程的求解算法選擇定步長(zhǎng)型的四階龍格庫(kù)塔法(RK4)。

6 半實(shí)物仿真數(shù)學(xué)模型所加誤差

為了更好地模擬制導(dǎo)炸彈使用過(guò)程的真實(shí)環(huán)境,在仿真數(shù)據(jù)模型中加入了誤差干擾,主要誤差干擾如下:

風(fēng)干擾:為從嚴(yán)考核系統(tǒng)的能力,設(shè)定了以下四種較嚴(yán)酷的風(fēng)干擾情況:

1)正側(cè)風(fēng):幅值可變,與制導(dǎo)炸彈發(fā)射方向垂直,幅值隨高度呈線(xiàn)性變化；

2)順風(fēng):幅值可變,與制導(dǎo)炸彈發(fā)射方向平行,幅值隨高度呈線(xiàn)性變化；

3)逆風(fēng):幅值可變,與制導(dǎo)炸彈發(fā)射方向相反,幅值隨高度呈線(xiàn)性變化；

4)陣風(fēng):與發(fā)射方向垂直的風(fēng),作用10s后歸零,再過(guò)10s后成負(fù)值,作用10s后又回零。風(fēng)速隨高度線(xiàn)性變化。

氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩誤差:氣動(dòng)力吹風(fēng)試驗(yàn)過(guò)程以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程等給空氣動(dòng)力和空氣動(dòng)力矩?cái)?shù)據(jù)帶來(lái)誤差,在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中采用在彈體的動(dòng)力學(xué)仿真模型,直接在插值計(jì)算出的空氣動(dòng)力和空氣動(dòng)力矩系數(shù)上乘系數(shù)的方法。

初始姿態(tài)角誤差:對(duì)于機(jī)載武器,飛機(jī)上的發(fā)射裝置在投放過(guò)程中會(huì)造成彈體離開(kāi)發(fā)射架時(shí)的姿態(tài)跟掛飛時(shí)的姿態(tài)有區(qū)別,同時(shí)飛機(jī)投彈時(shí)的飛行姿態(tài)也會(huì)與設(shè)定的狀態(tài)有一定的區(qū)別。在半實(shí)物仿真時(shí),在轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

7 半實(shí)物仿真結(jié)果

通過(guò)建立的半實(shí)物仿真系統(tǒng),對(duì)某型制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。驗(yàn)證了制導(dǎo)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)正常、全系統(tǒng)接口匹配,工作協(xié)調(diào),系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和魯棒性,滿(mǎn)足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。不加任何干擾時(shí),彈道仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。此外,在試驗(yàn)中還進(jìn)行了氣動(dòng)參數(shù)拉偏、風(fēng)干擾、初始條件拉偏等誤差條件的彈道仿真,驗(yàn)證了制導(dǎo)炸彈的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖3 側(cè)偏、攻角曲線(xiàn)Fig.3 Side offset and angle of attack curve

圖4 側(cè)滑角、俯仰角曲線(xiàn)Fig.4 Sideslip angle and pitch angle curve

圖5 偏航角、滾轉(zhuǎn)角角曲線(xiàn)Fig.5 Yaw angle and roll angle curve

制導(dǎo)炸彈空中飛行姿態(tài)穩(wěn)定,制導(dǎo)精度較高,較好地模擬了制導(dǎo)炸彈空中飛行及命中目標(biāo)過(guò)程,有很高的仿真置信度。

8 結(jié)論

本文介紹了制導(dǎo)控制系統(tǒng)的組成及半實(shí)物仿真試驗(yàn)的目的、內(nèi)容和試驗(yàn)原理。提出了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的工作流程。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的仿真軟件,完成了制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。該系統(tǒng)能有效模擬制導(dǎo)炸彈飛行過(guò)程,對(duì)制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面仿真驗(yàn)證,為飛行靶試試驗(yàn)提供技術(shù)支撐。

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Design of Hardware-in-the-Loop Simulation System Based on GPS/SINS Guidance Control System

LUO Xin, LV Ming, GUO Hong-wu

(Department of Mechanical and Electrical Engineering and Automation, National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

The composition of the guidance and control system and the hardware in the loop simulation system based on GPS/SINS guided bomb are introduced in this paper, expounds the purpose, the content, the test principle and the function of the main simulation equipment of the hardware in the loop simulation. Design of hardware in the loop simulation software and hardware in the loop simulation test model with error interference , the hardware in the loop simulation environment is set up by the hardware in the loop simulation test. Test results show that: semi physical system can effectively simulate the flight process of guided bomb, on the guidance control system of guided bomb were comprehensive simulation validation, to provide technical support for flying target pilot test, on flight trajectory of guided bombs assessment and assurance model project development progress has important significance.

Guided bomb; Guidance control system; Hardware in the loop simulation; Simulation software

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.019

2016-05-21；

2016-07-04。

羅欣(1982-)，男，碩士，主要從事制導(dǎo)控制及仿真方面的研究。E-mail: luoxin20180719@163.com

TP271

A

2095-8110(2017)01-0110-05