基于SIMBox的電視指令制導導彈模擬訓練研究*

馬瀟瀟，李青，陳義軍，劉濤

(空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000)

0 引言

電視指令制導導彈屬于防區外空射巡航導彈，采用人在回路中對導彈進行控制的方式。導彈發射后操作員根據電視導引頭傳回的電視圖像，搜索地標，控制導彈沿預定航路飛行，直至最后一個地標點，導彈鎖定目標后才能夠通過自動或手動導引方式飛向目標[1-2]。由于整個使用過程較為復雜，操作員極易因為電視圖像不清晰、作戰環境不熟悉等因素無法找到地標，從而丟失目標。

操作員必須通過大量、反復的訓練才能熟練掌握這類武器裝備，充分發揮其作戰效能。武器裝備技術復雜,造價昂貴，在日常訓練若全部采用實裝訓練,不僅花費巨大,而且受地理條件、法規等限制(例如不可能在假想敵的空域內進行對地攻擊訓練),難以滿足作戰訓練需求[3-4]。模擬訓練是當前國內外解決這一問題主要途徑[5-6]。目前在訓練仿真領域已經提出許多切實可行的仿真架構和建模方法[7-11]。

SIMBox是SimiGon公司開發的基于PC環境的仿真訓練軟件平臺。是目前惟一的集訓練系統管理、訓練效果追蹤、視景仿真、建模開發等功能于一體的綜合性訓練平臺。本文采用SIMBox仿真平臺設計并開發了電視指令制導導彈仿真訓練系統。

1 攻擊過程分析

電視指令制導導彈的制導系統，通常采用慣導+捕控指令電視末制導的制導方式。慣導工作階段時可以采用捷聯慣導進行控制；在中段、末段制導階段，導引頭中的電視攝像機攝取導彈前方可見光圖像，經過無線傳送后電視圖像在載機的多功能顯示器(multi-function display，MFD)上，武器操作員通過觀察MFD上的導彈前方地形、目標等信息，根據相應的導引律作出正確的判斷，通過操縱傳感器，給飛行中的導彈發出導引指令；導彈上的接收裝置收到指令后，由導彈上的控制系統根據指令內容調整導彈的飛行姿態。MFD持續顯示導彈導引頭的圖像，直到導彈命中目標。工作流程如圖1所示。

圖1 電視指令制導導彈工作流程Fig.1 Work flow of TV-command-guided missile

2 導彈運動與動力學模型

導彈的運動可以看作是質心移動和繞質心轉動的合成運動。這2種類型的運動，分別有3個自由度。質心移動取決于作用在導彈上的力，繞質心的轉動則取決于作用在導彈上相對于質心的力矩。以下式中部分符號定義見文獻[12]。

2.1 作用在導彈上的空氣動力和力矩

阻力系數CX、升力系數CY、側力系數CZ的計算：

(1)

力矩模型(不考慮導彈的滾轉力矩)：

(2)

2.2 發動機推力與導彈質量模型

(3)

式中：P為推力；Pmax為助推發動機推力；PM(h)為渦噴發動機推力；h為導彈飛行高度;tM為助推發動機工作時間。

(4)

式中：m0為導彈原有的總質量； mCT為助推發動機推進劑質量消耗率(秒流量)；mM為拋棄助推發動機后導彈總質量。

2.3 彈體動力學模型

運用牛頓第二定律建立的彈體質心運動模型為

(5)

彈體坐標系下繞質心轉動的動力學方程(不考慮彈體滾轉運動)為

轉動慣量：

(6)

式中：J0為帶有助推發動機導彈原始的赤道轉動慣量；JCT為助推發動機工作階段J0的減小速率；JM為拋棄用完燃料的助推發動機后導彈的赤道轉動慣量；JMCP為渦噴發動機工作階段JM的減小速率。

彈體坐標系下質心運動的動力學方程為

(7)

式中：ε1，ε2，ε3為地球坐標系到彈體坐標系的轉換矩陣元素；nx1，ny1，nz1為導彈在彈體坐標系中的過載。

3 導彈控制指令模型

導彈控制指令模型在武器發射后，根據操作員在傳感器上的輸入壓力以及導彈的飛行狀態，將壓力信號轉為對導彈俯仰角和航向角的控制指令。

3.1 導彈導引頭計算

導彈導引頭包含著電視攝像機、伺服機構、信號處理、圖像跟蹤等功能單元，電視攝像機可以通過伺服機構進行俯仰和航向運動，不僅可以根據操作員的控制指令進行俯仰和航向運動而且會伴隨導彈的航向調整改變自身的航向角。導彈飛行航向未進行控制時，有

(8)

式中：Yoffset為攝像機方位角偏移指令；Poffset為攝像機相對俯仰角偏移指令；Pint為攝像機的初始俯仰角；Cx，Cy分別是角度轉換系數；x，y為傳感器壓力數值。

產生了方位和俯仰角的偏轉指令后，伺服機構根據指令完成攝像機的轉動。

(9)

式中：θy，θp分別為攝像機t時間段內偏航方向和俯仰方向上轉動的角度；Ycur，Pcur分別為攝像機當前時刻相對于彈軸的方位角和俯仰角；Cry，Crp，Cy0，Cp0分別為方位角、俯仰角的控制系數常量。

3.2 控制指令的計算

攝像機獲取的電視圖像上有一個瞄準標記，操作員可用壓力傳感器控制其在電視圖像上運動，用于為導彈指示目標，該標記是目標視線在攝像機垂直截面上的投影。通過計算該標記與圖像中心的位置關系，可以得出對導彈的俯仰與航向控制指令。

(1) 導彈進入末段攻擊階段時，先進行一步初始化工作，將當前的攝像機俯仰角Pcur作為導彈的期望俯仰角，發送給導彈實體，導彈實體將調整彈體的俯仰角度。

(2) 計算導彈俯仰偏轉指令與航向偏轉指令

(10)

式中：YMoff，PMoff分別為dT內對導彈航向、俯仰的控制增量；Pos[X,Y]為根據電視圖像的分辨率和航向、俯仰控制量得出的圖像上瞄準標記的坐標；F為根據控制量計算圖像坐標的函數；Ycmd，Pcmd分別為對導彈航向角和俯仰角指令；Cy1，Cp1分別為操控系數。

4 仿真實現與結果分析

仿真系統的核心功能是要在仿真世界中實現電視指令制導導彈的操作的整個過程，滿足模擬訓練的要求。主要工作包括：構建仿真對象(包括載機、空地導彈、各類地面目標等)、開發地形庫以及配置用于人機交互的傳感器等外圍設備。

仿真前需要設定任務數據，包括載機的起飛位置，目標坐標，航線等信息。仿真開始后，載機可自動駕駛或人工操縱到達預定航路點，完成導彈發射準備后，發射導彈，導彈運動模型開始計算導彈運動坐標、姿態、速度等參數，操作員根據MFD上的電視圖像通過傳感器對導彈進行操縱，控制指令模型將傳感器上的壓力信號轉換為對導彈的俯仰角、航向角的控制指令。仿真過程如圖2所示。

圖2 仿真效果Fig.2 Simulation effects

對比仿真彈道與靶試彈道數據(如圖3)，可見仿真彈道具有較高的逼真度，運動模型與動力學模型體現了該型導彈的運動特性。從傳感器、控制指令、導彈俯仰/航向角的數據可以看出(如圖4，5)，控制指令模型可很好實現仿真中操作員對導彈的控制，表明模型具有較高的可信度。

圖3 仿真彈道軌跡與靶試彈道軌跡Fig.3 Trajectory of the missile

圖4 導彈俯仰角控制Fig.4 Pitch control of the missile

圖5 導彈航向角控制Fig.5 Yaw control of the missile

5 結束語

本文建立了電視指令制導導彈運動學與動力學模型，控制指令模型，在SIMBox平臺上建立了仿真并進行了實例分析。該類武器實裝訓練受到安全、經費等眾多因素的限制，基于SIMBox的模擬訓練系統可以很好地解決此問題，為該類武器的訓練、對地攻擊的戰術戰法研究提供了高效費比的仿真環境。目前，研究成果已應用于實際訓練，并具有較好的效果。

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