劉聰，張洋

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安，710089）

0 引言

半實(shí)物仿真系統(tǒng)是用于彈上部件引入仿真回路，并為其模擬出真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景的仿真方法，除實(shí)物外，以數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真。半實(shí)物仿真系統(tǒng)能夠有效解決建模困難的問(wèn)題，且具備較高的仿真置信度，能夠?yàn)榧夹g(shù)決策提供豐富可靠數(shù)據(jù)資源。因此，半實(shí)物仿真方法是激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中必要的性能評(píng)價(jià)手段與建造工具，科學(xué)應(yīng)用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制、評(píng)估等各個(gè)階段。目前，全球科技與軍事力量都在不斷強(qiáng)化，對(duì)于制導(dǎo)武器的開(kāi)發(fā)水平也隨著仿真技術(shù)的發(fā)展而快速提升，為提升我國(guó)武器裝備的仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，必須針對(duì)激光制導(dǎo)武器的半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行科學(xué)研究與戰(zhàn)略開(kāi)發(fā)。

1 制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)的目的和內(nèi)容

對(duì)激光制導(dǎo)武器進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)是為了利用仿真打靶的手段，將對(duì)彈的激光制導(dǎo)武器的制導(dǎo)部件與各部系統(tǒng)性能進(jìn)行考核，保證制導(dǎo)精確度與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，為激光武器的性能評(píng)判提供數(shù)據(jù)依據(jù)。關(guān)于穩(wěn)定回路，關(guān)鍵是對(duì)自動(dòng)駕駛儀中所涉及到的慣性器件與控制電路進(jìn)行考核，關(guān)于舵機(jī)回路，關(guān)鍵是對(duì)其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性對(duì)激光制導(dǎo)系統(tǒng)精準(zhǔn)度與性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行考核；關(guān)于引導(dǎo)回路，關(guān)鍵是對(duì)導(dǎo)引頭上的探測(cè)器進(jìn)行非線性特征檢測(cè)與目標(biāo)跟蹤特性檢測(cè)，以此保證激光制導(dǎo)武器動(dòng)態(tài)性能的質(zhì)量與精準(zhǔn)度的控制。制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)的展開(kāi)依據(jù)是按照由開(kāi)環(huán)至閉環(huán)、由部分至整體、由小回路至大回路的標(biāo)準(zhǔn)[1]。激光制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)試驗(yàn)內(nèi)容及步驟如圖1所示。

圖1 激光制導(dǎo)半實(shí)物仿真試驗(yàn)流程

2 激光制導(dǎo)武器半實(shí)體仿真系統(tǒng)功能及組成

■2.1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)功能解析

參照半實(shí)物仿真方法的相似性原理，可以確定半實(shí)物仿真系統(tǒng)具有以下三點(diǎn)功能。首先，半實(shí)物仿真系統(tǒng)能夠?qū)φ鎸?shí)彈體的姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬；其次，半實(shí)物仿真系統(tǒng)能夠?yàn)橹茖?dǎo)武器提供激光照射環(huán)境，計(jì)算并模擬出目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)；最后，半實(shí)物仿真系統(tǒng)能夠接收彈上計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)指令，實(shí)現(xiàn)六自由度彈道的模擬。

在制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)仿真計(jì)算設(shè)備（其中包括A/D模塊、D/A模塊以及串口通訊等）能夠見(jiàn)各部分功能的信息進(jìn)行綜合性處理，并利用控制柜和轉(zhuǎn)臺(tái)平臺(tái)將系統(tǒng)內(nèi)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞交互；彈上部件所承載的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)平臺(tái)將彈體的形勢(shì)姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬；激光制導(dǎo)模擬器將固定在兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)之上，負(fù)責(zé)將用于管控激光光斑的幕布位置；幫助系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)、模擬、記錄相關(guān)的仿真數(shù)據(jù)。

■2.2 激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)的組成

激光制導(dǎo)武器中制導(dǎo)系統(tǒng)的構(gòu)成包括激光照射裝置、導(dǎo)引頭、舵機(jī)、彈體、自動(dòng)駕駛儀等部件。此類(lèi)制導(dǎo)武器的主要特征有以下三點(diǎn)。首先，在于激光半主動(dòng)制導(dǎo)體制的運(yùn)用以及激光導(dǎo)引與速度追蹤導(dǎo)引律；其次，制導(dǎo)武器中是通過(guò)傾斜的三通道自動(dòng)駕駛儀與燃?xì)獗壤鏅C(jī)來(lái)進(jìn)行控制；最后，激光制導(dǎo)武器的彈道特點(diǎn)表現(xiàn)在零指令方式家末段導(dǎo)引上?？刂评碚撘曈蛳?，制導(dǎo)系統(tǒng)是由穩(wěn)定回路（即小回路）與導(dǎo)引回路（即大回路）共同構(gòu)成。除去彈體本身的動(dòng)力學(xué)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程外，穩(wěn)定回路的所有控制裝置都固定于尾部的儀器艙中，控制裝置包括慣性器件、相關(guān)電路以及舵機(jī)，導(dǎo)引回路包含導(dǎo)引頭與激光照射裝置[2]。

3 激光制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了將激光制導(dǎo)武器進(jìn)行綜合型評(píng)估，將制導(dǎo)飛行中半主動(dòng)彈藥的相關(guān)部件進(jìn)行性能與質(zhì)量的仿真檢測(cè)。把導(dǎo)引頭、角速率陀螺、彈上計(jì)算機(jī)等設(shè)備添加至仿真回路中，規(guī)劃出激光制導(dǎo)武器中用于指導(dǎo)和控制的仿真方案，系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

半實(shí)物仿真模型是建立在模塊化的設(shè)計(jì)理念上，能夠通過(guò)大氣環(huán)境參數(shù)、彈道初始條件、激光模擬器參數(shù)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相關(guān)參數(shù)以及風(fēng)干擾模型參數(shù)等，考核不同邊界條件下彈體中系統(tǒng)的性能質(zhì)量。在半實(shí)物仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，通過(guò)數(shù)學(xué)仿真對(duì)以及幾項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行計(jì)算：六自由度有控彈道動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式、大氣環(huán)境模型、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型、室內(nèi)彈目視線模型。在實(shí)際的測(cè)試流程中，激光光斑通過(guò)兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)激光模擬器的作用下，照射到相應(yīng)的幕布位置中，導(dǎo)引頭在收到激光漫反射所產(chǎn)生的光斑能量后，發(fā)出制導(dǎo)指令，并通過(guò)彈上的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生角速率陀螺信號(hào)，之后將生成的控制指令傳輸至仿真機(jī)中，建立完整的彈道方程計(jì)算，向三軸轉(zhuǎn)臺(tái)創(chuàng)造彈體的姿態(tài)，并參照彈目之間的關(guān)系，生成相應(yīng)的角度指令，模仿出真實(shí)的LOS，保證角速率陀螺儀具備真實(shí)的姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)軌跡[3]。

■3.1 彈目相對(duì)幾何關(guān)系

結(jié)合仿真布局中的機(jī)構(gòu)組成，創(chuàng)建地面坐標(biāo)系Oxyz，將導(dǎo)引頭光軸中心設(shè)定為原點(diǎn)，幕布是鉛垂平面，且幕布和Ox軸是平行關(guān)系。將轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心和幕布之間的距離設(shè)為l，則軸轉(zhuǎn)臺(tái)與回轉(zhuǎn)中心的距離是l32?；诜抡胬碚撝械膸缀蜗嗨圃恚抡嫦到y(tǒng)中的彈目視線方位角、彈道與高低角的視線方位角相互對(duì)應(yīng)?；谑覂?nèi)環(huán)境幾何方位可知，由于受到室內(nèi)尺寸條件的限制，末制導(dǎo)段視線的高低角需控制在-30°—-45°之間，突破俯仰方向的可接受范圍后，光斑則會(huì)投落至地面上。使地面坐標(biāo)系以O(shè)z為中心軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，共旋轉(zhuǎn)常值角度，獲取新的坐標(biāo)系Ox'y'z'，使彈目視線歸落至幕布上。結(jié)合彈目之間的位置關(guān)系，確定某時(shí)刻坐標(biāo)系為(xr，yrzr)，新坐標(biāo)表現(xiàn)為：

在新的坐標(biāo)系Ox'y'z'中，關(guān)于視線所處的直線方程解析式如公式1。

進(jìn)而可以推算出光斑的具體位置坐標(biāo)：

通過(guò)以上方程得出兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)關(guān)于高低、方位的指令：

■3.2 激光入瞳光學(xué)特性解析

當(dāng)導(dǎo)引頭處于飛行狀態(tài)時(shí)，其捕獲激光功率的密度會(huì)根據(jù)彈目距離的縮小而擴(kuò)大，且光斑也會(huì)逐漸變大。因此，激光制導(dǎo)武器的中的模擬器應(yīng)具備光斑與能量可調(diào)的功能，實(shí)現(xiàn)最大功率的有效照射，為導(dǎo)引頭的飛行模擬逼真的照射條件與環(huán)境。基于大氣光學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，可以將導(dǎo)引頭收到的功率（sP）與模擬器發(fā)出的激光功率（PL）這二者之間的關(guān)系表現(xiàn)為公式2：

公式中，Dr代表導(dǎo)引頭接收面積；?代表散射面積與光斑面積的比值；ρ代表反射率；LMT代表彈目實(shí)際距離；Ta代表大氣透過(guò)率。考慮到光斑的大小會(huì)根據(jù)彈目距離的遠(yuǎn)近而產(chǎn)生變化，因此，將標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)定為CT×CT，因此，光斑大小rspot的計(jì)算方式如公式3所示。

據(jù)此可知，Ps、rspot和彈目距離LMT都是反比關(guān)系。在仿真試驗(yàn)中，模型應(yīng)結(jié)合彈目距離的變化而實(shí)時(shí)調(diào)整模擬器的能量與光斑大小。

4 激光制導(dǎo)武器半實(shí)物彈道仿真試驗(yàn)

將末制導(dǎo)段的彈目最大值設(shè)定為3500m，初始化彈目視線角設(shè)定為-30°。在兩種初始彈道條件下，對(duì)激光制導(dǎo)武器進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)值如表1所示。

表1 多次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出數(shù)值

根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出，此激光制導(dǎo)系統(tǒng)的脫靶量能夠小于0.8m，保證了對(duì)2m×2m面積目標(biāo)的精準(zhǔn)打擊，此數(shù)據(jù)與實(shí)際飛行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較為一致，可以確定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性。此外，脫靶量樣本存在的標(biāo)準(zhǔn)差較小，達(dá)成驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，且半實(shí)物仿真系統(tǒng)可信度高、重復(fù)性良好。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于實(shí)際的任務(wù)與功能需求，在激光制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真平臺(tái)中明確了相應(yīng)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)模型；通過(guò)室內(nèi)彈目幾何關(guān)系與導(dǎo)引頭的入瞳光學(xué)特性對(duì)激光照射環(huán)境研究，提升了半實(shí)物仿真環(huán)境的真實(shí)性。利用半實(shí)物仿真試驗(yàn)，明確激光制導(dǎo)武器實(shí)行打擊的有效指令，提高制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，保證半實(shí)物仿真系統(tǒng)的可信性與重復(fù)性。