某型導引頭半物理仿真系統設計

王 歡，白 楊，江 晟

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033)

全捷聯電視導引頭是圖像制導武器的核心部分，其性能直接影響導彈的制導及飛行控制信號，對導彈的精確末制導打擊性能起著關鍵作用。作為精確制導武器研制過程中的重要過程，半物理仿真能夠在地面環境下，較為真實反映目標探測、制導控制等部分構成的全系統的動態與靜態特性，進而對系統的整體性能進行驗證和評價，大約有90%左右的導彈系統評估參數來自半物理仿真實驗［1-3］。

張凱［4］、張崇斌［5］等通過模擬器的方式實現對導引頭中的測試，實現條件需要軟硬件配合，較為復雜并且缺乏直觀性;邵立勇［6］等通過Virtools 實現了導彈導引頭攻擊直升機的動態演示仿真，齊竹昌［7］等通過Vega Prime 演示了導引頭攻擊目標過程中飛行姿態的變化進行彈道分析和設計，視景工作僅用于演示，未能在實際測試閉環中發揮作用; 靳文平［8］等通過紅外圖像注入系統實現對紅外導引頭的半物理測試，注入系統針對性較強，不具普適性。而可視化仿真技術把仿真中的數字信息變為直觀的、以圖形圖像形式表示出來，在航空航天、軍事中發揮著越來越重要的作用［9］。在對導引頭半物理系統基礎上，本文對基于Unity3D 的可視化仿真系統進行了研究，建立了可視化仿真和典型目標模型，分析了半物理仿真系統的基本組成、實現流程及關鍵技術。最后建立起一套可視化半物理仿真平臺，成功完成了導引頭的閉環測試。

1 半物理系統方案設計及組成

全捷聯電視導引頭半物理仿真系統由可視化仿真系統、導引頭、制導系統、姿態自動駕駛儀、舵機、模型仿真機、轉臺及IMU 組成，如圖1 所示。

圖1 仿真系統框架圖

1.1 層流區、紊流區氣動加熱計算

圖2 視景系統位置示意圖

可視化仿真系統主要包括可視化仿真機、投影儀和投影幕，為導引頭提供擬真的作戰環境，其中搭載導引頭的轉臺與可視化仿真系統的相對位置關系如圖2 所示。模擬戰場環境基于Unity3D 實現，主要包括戰場地形創建(圖3)、目標建立及配置(圖4)、環境參數(天空、地面、光照度等)配置(圖5)，最后導出可執行程序文件。

圖3 戰場地形圖

圖4 典型目標圖

圖5 戰場環境中的天空、地面及強弱光照圖

1.2 制導律

針對全捷聯電視導引頭特點，本文采用彈體追蹤法作為制導律。假定導彈為一可控質量的質點M，以恒定的速度V飛向目標T，如圖6 所示，彈體追蹤法體現的導彈與目標的相對運動位置關系為

式(1)中:r 導彈與目標相對距離;V、VT分別代表導彈、目標的速度;q 代表彈體縱軸與目標速度矢量夾角;α 導彈攻角;?為俯仰角;θ 為彈道傾角。

本文導彈打擊靜止坦克目標，即VT=0，式(1)可簡化為

圖6 視景系統位置示意圖

1.3 全捷聯電視導引頭

針對導彈高速打擊特點，圖像處理平臺選取DSP-FPGA復合架構，如圖7 其中FPGA 板(第2 層)提供各種數據接口，DSP(第1 層)主要負責對圖像處理算法的運算。此架構系統處理幀頻可達50 Hz，其快速性滿足導彈末制導指令需求。

圖7 全捷聯電視導引頭及圖像跟蹤器硬件平臺

2 可視化仿真標定

小孔成像原理如圖8 所示，OXY 表示光學平面，O 表示光心，oxy 表示CCD 成像平面坐標，P 表示慣性系下的真實目標，oxy 下的p 表示目標在像平面的像。

圖8 小孔成像原理示意圖

根據相機基本參數，CCD 面陣1 024 ×768 pixel，象元大小s=5.5 μm，焦距f=13.5 mm，目標距離光學成像中心w=1.2 km，目標高度P=2.3 m，因此根據式(3)可計算目標在成像平面上大小

計算可得目標成像大小p=25.875 μm，則目標成像占像平面像素數為p/s =5 pixel，通過Matlab 采集的目標大小適時調整投影儀投射大小以及幕布的距離(圖9)，最終確定導引頭魚投影之間距離L1=0.5 m，投影儀與幕布之間距離為L2=2.3 m，導引頭傳輸的脫靶量數據信息通過彈體動力學模型進行數據直接補償，進而確定圖像中心位置。

圖9 Matlab/Simulink 采集的目標圖像

3 仿真分析

針對該全捷聯電視導引頭項目需求進行半物理仿真，仿真環境及條件如表1 所示。

表1 半物理仿真條件

在仿真試驗中:

1)通過彈體動力學模型仿真計算機確定彈體及目標的初始位置、姿態，通過RS232 傳送至可視化仿真機，由投影儀投影至幕布展現戰場環境。

2)通過導引頭上位機對導引頭進行自檢、對時、工作狀態確定等指令，進行人工目標識別及鎖定，使能導引頭進入目標跟蹤狀態。

3)啟動飛行仿真，制導系統通過接收導引頭目標脫靶量信息導向并最終摧毀目標，仿真結束。

在整個目標打擊過程中，導引頭跟蹤目標準確、穩定，跟蹤誤差(目標充滿視場之前)在3 個像素之內，目標打擊視頻序列如圖10 所示。

圖11 展現了導彈的縱向平面內彈道曲線，如圖12 所示，數字仿真和半物理仿真條件下的導引頭脫靶量數據對比可知，導引頭平面誤差角在0.09°之內。圖13 顯示在俯仰方向，半物理彈目視線角速度值與理論仿真值之差小于0.17 deg/s，圖14 顯示過載指令ayc≤2 g，滿足彈體制導控制指標需求，能夠實現導引頭的精確打擊。

圖10 導彈打擊目標過程視頻序列

圖11 導彈彈道曲線

圖12 導引頭平面誤差角

圖13 俯仰方向的彈目視線角速度

圖14 導彈過載指令

4 結論

本文搭建的基于Unity3D 的可視化半物理仿真系統，獲取導彈的彈道和姿態角等信息，高效地模擬了戰場環境和導彈打擊目標過程:目標脫靶量誤差值小于0.09°;彈目視線角速度誤差值小于0.17 deg/s。

完成了導引頭的閉環仿真測試，實現了目標的精確打擊試驗，驗證了可視化半物理平臺的正確性和有效性，可為導彈導引頭跟蹤系統和制導系統的驗證提供有效的試驗保障手段。

［1］沈永福，鄧方林，柯熙政.激光制導炸彈導引頭半實物仿真系統方案設計［J］.紅外與激光工程，2002，31(2):166-169.

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［3］孔德永.魚雷武器控制系統半實物仿真系統設計與實現［J］.四川兵工學報，2012(6):1-5.

［4］張凱，孫力，閆杰.基于DMD 的紅外場景仿真器設計及測試［J］.紅外與激光工程，2008(37):369-372.

［5］張崇斌，白云，龍振國，等.導引頭目標模擬器設計與實現［J］.火力與指揮控制，2012，37(10):165-168.

［6］邵立勇，徐勁祥，李美紅，等.反直升機導彈視景仿真系統研究［J］.戰術導彈技術，2014(1):94-99.

［7］齊竹昌，劉莉，龍騰，等.基于Vega Prime 的彈道視景準實時仿真研究［J］. 彈箭與制導學報，2013，33(1):145-149.

［8］靳文平，符文星，肖堃，等.紅外導引頭半實物仿真中紅外圖像注入器設計［J］.電子設計工程，2014，22(2):159-161.

［9］黃柯棣，劉寶宏. 作戰仿真綜述［J］. 系統仿真學報，2004，16(9):1887-1895.