某型機載火力控制系統計算機仿真設計

摘要：簡要介紹了機載火力控制系統的組成及建立仿真模擬系統的必要性；基于機載火控系統的一般構成及工作原理，建立了某型機載火力控制系統仿真模型；詳細討論了該仿真系統的功能；應用計算機仿真技術，對該系統進行了軟硬件進行了分析與設計；經實際應用證明，該仿真系統仿真程度高，功能強，可擴展性好，成本低，能夠動態描述某型戰斗機在空中的飛行和攻擊過程，可用于火力控制系統的教學和空、地勤人員培訓，具有較高的軍事及經濟效益。

關鍵詞：火力控制系統；計算機仿真；平視顯示器

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：B文章編號：1009-3044(2008)15-10000-00

Design of Computer Simulation for Airborne Fire Control System

LI Bao-gang

（Naval Aeronautical Engineering Institute， Department of Ordnance Science and Technology， Yantai Shandong 264001，China）

ABSTRACT: It is introduced briefly about composition of airborne fire control system and necessity of simulation system. The Simulation model of fire control system is established on account of composition and fundamental of airborne fire control system. The function of simulator is discussed. Software and hardware of the simulation system are designed by application of computer simulation. It is proved that the simulation system has good function and expandability and low cost. The simulation system can be used to described the dynamic process of fighting and attacking of fighter，and to train students，pilots and ground crew. It has high military value and economic benefits.

Key Words:Fire control system;Computer simulation;Head-up Display

1 引言

戰斗機的攻擊過程可以描述為：使用本機所攜帶的各種武器（航炮、航箭、導彈、炸彈等）對敵方各種目標（空中、地面、水面、水下等）進行搜索、跟蹤、瞄準和實施攻擊。攻擊的效果即戰斗機的作戰效能，它取決于飛機、機載電子設備、機載武器、攻擊戰術以及飛行員的素質。隨著技術的進步，計算機仿真越來越多的應用于空戰過程及火力控制系統的研究[1，2]。火力控制系統(Fire Control System：FCS)是以平視顯示/武器瞄準系統(Head-Up Display/Weapon Aiming System:HUD/WAS)為核心，由目標參數測量裝置（機載雷達、激光測距器、紅外線跟蹤裝置等），本機參數測量裝置（慣性導航系統、大氣數據系統及機載測量傳感器等），以及指揮引導導航定位裝置（數傳、塔康、衛星定位系統等）等，組成一個保障飛行、跟蹤瞄準、武器控制的綜合機載系統[3]。第三代先進戰斗機如蘇-27、F/A-18、幻影-2000等都裝備有平視顯示火力控制系統，它已成為衡量戰斗機先進性的重要標志之一。

火力控制系統技術復雜，價格昂貴，涉及面廣。正確熟練地使用和維護火力控制系統，充分發揮其技術優勢，提高飛機武器系統的作戰效能，已經成為航空兵部隊面臨的重要課題之一。當前，利用計算機仿真技術研制仿真模擬系統，實裝訓練與模擬訓練相結合，是提高部隊戰斗力的有效措施。本文基于上述思想，論述了某型機載火力控制系統仿真系統的仿真模型、功能及軟硬件設計。

2 某型機載火控系統的仿真模型

電子組件是機載火力控制系統的核心，它通過接口單元接收機載電子設備的測量信號（空戰環境參數），進行火控計算和控制顯示。因此，對機載火力控制系統進行仿真，關鍵是建立反映實際空戰要求的飛行環境。即在油門、腳蹬和駕駛桿的作用下，生成空速、攻擊測滑角、姿態角、姿態角速度等有關狀態參數，并實時將參數傳遞到大氣數據計算機仿真器(Air Data Computer Simulator：ADCS)、慣導和無線電高度表仿真器(Inertial Navigation /Radio Height Simulator：IN/RHS)、雷達仿真器(Radar Simulator：RADS)等。由ADCS仿真出隨飛行狀態變化的大氣數據參數（氣壓高度、指示空速、真空速、迎角、空氣密度比、馬赫數和垂直升降速度等），由IN/RHS仿真出導航參數（飛機地速、飛機偏流角、飛機姿態角、無線電高度等），由RADS仿真出目標參數（目標距離變化率、扭轉板方位俯仰角、扭轉板方位俯仰角速度等）。從而模擬出一個真實的空中飛行環境。任務計算機仿真器(Mission Computer Simulator：MCS)采集操作機構的信號，并實時接收環境參數，進行火控解算，并生成供飛行員操縱駕駛和瞄準攻擊使用的平顯畫面[4]。某型火控系統的仿真模型如圖1所示。

3 仿真系統的功能

該仿真系統可對某型飛機的火控系統進行動態數字仿真。任務計算機根據人工模擬的大氣數據計算機、雷達、導航系統等機載電子設備提供的仿真數據以及人工輸入的裝定數據，對各種瞄準狀態進行實時計算，并將計算結果通過共享存貯器，傳送給平顯字符產生器，實現平顯火控畫面的動態顯示。顯示部件將字符產生器送來的畫面顯示電信號，通過陰極射線管(CRT)和光學系統轉換成可見信號，以平行光形式投影到無窮遠處疊加在外界背景上，顯示在駕駛員的正前方[5]。具體功能如下：

（1）可對飛機的自檢、進場著陸、導航、各種攻擊瞄準進行動態/靜態顯示；

（2）顯示畫面具有刪除和恢復功能；

（3）畫面的切換顯示可通過平顯字符產生器的前面板按鈕操作來實現，也可通過任務計算機的屏幕窗口由鼠標器來控制實現；

（4）可與其它航電系統進行綜合，具有較強的可擴展性。只需對軟件進行修改，即可移植到其他機種火控系統的數字仿真中。

4 硬件設計

如圖1中所示的任務計算機仿真器、大氣數據計算機仿真器、慣導/高度表仿真器和雷達信號仿真器分別由四臺PC機擔任，平視顯示器和駕駛員操縱機構采用實際裝備，任務計算機與符號發生器之間通過雙端口RAM實現高速并行通訊。各單元之間由高速以太網連結。下面主要介紹一下該系統的核心部件：雙端口存儲器和符號發生器。

4.1 雙端口存儲器

雙端口存儲器是交換信息雙方的CPU將存儲器信息交換窗口作為自己存儲器的一部分，CPU對該窗口的操作如同對自己的存儲器進行操作，通過該窗口便可實現高速、可靠地雙機通信。典型的雙端口存儲器原理框圖如圖2所示。

4.2 符號發生器

符號發生器是平視顯示火控系統的核心部件。它的基本功能是在計算機的輸出指令控制下，接收所畫符號的參數及命令，產生所需要的X和Y兩個方向的模擬偏轉電壓，送到偏轉電路，控制CRT屏幕上電子束的運動，實現畫符號。同時產生一個輝亮信號去控制管子的柵極電壓，確定所畫符號的亮和暗。從平顯火控系統的工作狀態畫面可以看出，顯示器顯示的是一些數字、字母、圓及可變的圖形。由于任何復雜的圖形，都可以分解成直線和曲線兩部分，而曲線又可以用許多短的直線來逼近。因此，任何復雜的圖形都可以用各種長短不同的直線段來逼近。本文參考某型平顯符號發生器的結構，設計了適用于仿真的符號發生器，主要由線產生電路、圓產生電路、字符（數字和字母）產生電路及控制電路所組成，如圖3所示。

5 軟件設計

該仿真系統的軟件設計采用VC++6.0開發環境，畫面具有真實座艙風格，能夠模擬空對空攻擊、空對地攻擊、起飛著陸等十多種工作狀態，可供使用的武器有航炮、航箭、導彈和炸彈等多種武器[6]。對于武器攻擊和目標機動，本文引入綜合判據進行描述。所謂綜合判據就是在攻擊過程中攻擊機根據空戰態勢應該如何機動，武器應在什么情況下使用所應遵循的原則和規律。用專家系統來描述和建立攻擊過程綜合判據，實際上就是要構造一個“軟件化”的計算機駕駛員操縱飛機進行空戰。這個計算機駕駛員像真飛行員一樣，根據空戰態勢和有關信息對飛機實施機動操縱，并抓住時機使用機載武器對目標進行攻擊。至于飛機對操縱的反應如何，以及武器發射后能否命中目標，則完全取決于飛機的性能。

軟件共包含七個模塊，它們分別是：（1）系統管理模塊；（2）飛行狀態數據采集仿真模塊；（3）雷達信號仿真模塊；（4）大氣機仿真模塊；（5）慣性導航仿真模塊；（6）火控任務計算機仿真模塊；（7）平顯畫面顯示模塊。具體的軟件結構示意如圖4所示。

6 結束語

目前，以航空火力控制系統等為研究對象的各類仿真系統及模擬器在軍事訓練、部隊人員培訓、院校教學等多種領域正日益得到廣泛的應用。該火力控制系統仿真系統采用模塊化設計，擴展性好，通用性強，只需增添相應的功能模塊，即可實現對其它機型火控系統的仿真任務。其總體設計合理、功能齊全，仿真環境逼真，現已成功應用于教學和培訓之中。它能夠替代實裝對飛行員及地勤人員進行模擬訓練和培訓，即大大降低了訓練成本，又顯著提高了訓練效果，從而減少了實際飛行事故的發生，具有較高的經濟及軍事應用價值。

參考文獻：

[1] 姜國衛，方澄，等. 飛行模擬器火控仿真系統[J]. 火力與指揮控制，2004，29(1):77-79.

[2] 王金全，夏英明. 機載火力控制系統的發展研究[J]. 電光與控制，2000，(1):44-51.

[3] 陸彥，周志剛，等.航空火力控制技術.北京：國防工業出版社[M]，1994，(6):392-433.

[4] 李伯虎，王行仁，黃柯棣，等. 綜合仿真系統研究[J]. 系統仿真學報，2000，12(5):429-434.

[5] 夏英明. 關于平視顯示器的改進意見[J]. 電光與控制，2003，10(4):63-66.

[6] 黃安祥，劉長華，等. 現代軍機飛行仿真系統的研究[J]. 系統仿真學報，2001，13(2):259-262.

收稿日期：2008-03-26

作者簡介：李保剛（1978-），男，河北武邑人，本科，講師，主要研究方向為航空兵器工程，計算機仿真，計算機測控技術。