精確制導戰術武器半實物仿真技術綜述

范世鵬 徐 平 吳 廣 李 伶 祁 琪

北京航天自動控制研究所，北京100854

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精確制導戰術武器半實物仿真技術綜述

范世鵬 徐 平 吳 廣 李 伶 祁 琪

北京航天自動控制研究所，北京100854

隨著精確制導武器的迅猛發展，半實物仿真(Hardware-in-the-loop-Simulation, HILS)技術因其具有更高的置信度和降低成本的優點而廣泛應用于精確制導武器研制中，發揮著至關重要的作用。本文對制導武器HILS技術進行了全面總結，首先介紹了HILS系統的功能組成、系統誤差、作用與意義3個方面，然后緊密追蹤國外HILS平臺建設的前沿動態，并從現狀出發，闡述了該技術的未來發展趨勢，對HILS技術的發展有借鑒意義。

制導武器；半實物仿真；誤差分析；發展趨勢

上世紀60年代，半實物仿真(Hardware-in- the-loop-Simulation, HILS)技術就被應用于響尾蛇導彈的導引頭評估工作中[1]。新世紀以來，隨著計算機科學與技術的蓬勃發展，HILS技術迅猛崛起，在仿真技術中已經占有不可或缺的一席之地[1]。

精確制導武器造價昂貴，利用HILS技術對導彈制導與控制系統等分系統進行無損性檢測，以此減少研制過程中的飛行試驗次數，是節省研制費用、加速研發進程的可行途徑。據統計，在愛國者、羅蘭特和尾刺的研制過程中，HILS技術的采用使實彈靶場試驗數減少30%以上[1]。與此同時，HILS技術還是設計師迅速作出決策，改進技術與方案的堅實依據與支撐，縮短了研制周期，其效益是顯而易見的。

HILS技術不僅是制導武器研究、發展、測試和評估的重要保障，也必將成為新技術革新與應用、型號改進和促進武器走向實戰化的強大后盾。因此，HILS技術是軍事強國必須攻克的一大關鍵技術。

在國內，HILS技術在導彈制導應用研究方面達到了較高水平。20世紀80年代我國建設了一批高水平、大規模的HILS系統。90年代，北京仿真中心成立，對分布交互仿真、虛擬現實等先進仿真技術及其應用進行研究，先后建設多個戰術導彈型號HILS實驗室，包括微波目標環境仿真系統、慣性/光學復合制導仿真系統和多光路多波段可見光/紅外成像仿真系統，開展了較大規模的復雜系統仿真，為我國運載型號和武器裝備做出重大貢獻[2]。

本文對制導武器HILS技術進行概述與總結。重點分析了系統誤差及其影響，為設備指標論證和仿真系統升級提供理論依據。介紹了該技術在先進國家的發展現狀，并闡明了該領域發展方向，為HILS技術的發展提供了參考。

1 HILS技術概述

HILS技術是一種利用設備模擬導彈飛行環境，并將部分彈上實物置于其中，且引入仿真回路的實時仿真方法。這種技術可以克服參試實物數學模型不精確的缺點，對其進行全方位、深層次的考核，在制導武器系統論證與評估中起到關鍵作用。

1.1 系統組成

不同制導體制武器的HILS系統所采用的相關設備有所不同[3-8]，但可將其歸納在5大基本要素之內，分別為彈體運動環境、參試部件、目標特性與作戰環境、彈目相對幾何關系和數學仿真部分，其基本構架如圖1所示。

圖1 制導武器HILS系統的基本結構

彈體三自由度姿態角運動大多通過三軸轉臺復現，作為硬件的搭載平臺，通過相關設備復現彈目相對幾何關系和目標特性，為仿真試驗的參試部件(導引頭、角速率陀螺等)創造相似的目標環境。仿真計算機完成數學仿真部分的運算任務，即建立大氣模型、風干擾模型，接收彈上計算機輸入的制導與控制指令，解算導彈運動學與動力學方程，分別為目標生成控制機和彈上計算機提供瞬時彈目相對關系和導彈當前部分飛行狀態，為三軸轉臺實時更新彈體姿態指令。同時，控制仿真時序，管理各個仿真設備。

目前，國內外便于開發、已被廣泛采用、技術成熟的HILS平臺主要有dSPACE平臺、RT-LAB平臺、xPC雙機平臺和NI平臺4種。盡管這4種平臺在硬件配置、軟件環境、產品特點和開發流程等方面都有所差別，但都具備完善的功能配置和常用模型庫，能實現分布式的實時仿真，同時，都具有高度的集成性，便于用戶使用。

(1) 仿真計算機

對HILS模型中無法通過實物代替或設備模擬來實現的部分，只能以仿真計算機數值計算完成。仿真計算機應具有較高的運算速度，快速完成數學部分仿真的非實時計算，保證仿真的實時性。美國在HILS技術的先進性之一就體現在配備高速高精度的仿真機，并在系統中采用了并行計算構架，成為分布交互式仿真的雛形。而且，仿真計算機是系統的核心，要與各功能模塊實現通訊，必須具備相匹配的數字信號和模擬信號收發功能。在運算能力和可擴展性方面，德國dSPACE公司開發的實時仿真系統是這類產品最優秀的代表。

(2) 彈體運動模擬器

在各類HILS系統中，三軸轉臺為導引頭和角速率陀螺等彈上器件創建彈體姿態運動環境，其動力學串聯進入仿真回路，造成一定的幅值衰減和相位滯后，直接影響仿真的置信度。因此，必須保證轉臺在實際負載情況下具有良好的頻域動態特性，滿足相應的時域動態特性(最大角速度、最大角加速度、定位精度等)，同時嚴禁仿真模型發生姿態角劇烈變化。

(3) 目標特性模擬器

在目標模擬中，嚴格遵循多種特征相似性基本原則。紅外、激光等點源目標的生成技術在工程應用中已經成熟。利用光學器件可得到不同波段的光波，通過調整光欄孔的大小和不同透射比濾光片的位置，分別改變光斑大小和輻射強度。電視成像制導方式的目標環境通過圖形工作站生成，由仿真機提供彈目相對關系及導彈飛行狀態，利用圖像投影儀實時生成視景。微波暗室則是利用射頻陣列，為雷達制導體制生成射頻環境，考慮到微波的二次反射問題，暗室內壁貼附特殊的吸波材料。紅外成像體制HILS運用了多種紅外圖像轉換技術，目前出現了電阻陣列、激光二極管陣列、紅外陰極射線管、光纖陣列二次輻射型圖像技術等多種工程方案。基于懸置薄膜電阻陣列、激光二極管陣列的投影技術發展較快且最具潛力。

(4) 彈目視線運動模擬器

彈目視線的構建，是根據目標生成器、轉臺和幕布(或像元實體)之間的幾何關系，嚴格遵循仿真技術相似原理，通過精確的角運動(兩軸轉臺)或線運動(X-Y二維平移裝置)2種方案而來。由于彈目視線運動相對緩慢，因此對模擬器動態特性的要求相對放低，但對于機動目標或終端過載不歸零的制導系統，會在命中目標時刻引起設備劇烈運動。

1.2 誤差分析與校正

HILS系統普遍存在的多項誤差不容忽視，致使仿真試驗置信度大打折扣，為此本文總結了工程上常規的HILS誤差分析與校正方法。

HILS系統在室內環境構造彈目視線，所建立的幾何模型與導引頭、三軸轉臺和目標環境生成儀器等密切相關。而轉臺軸晃動誤差、軸正交性誤差、目標環境生成器安裝誤差、軸位置誤差和器件安裝誤差等機械結構誤差以及目標模擬器動力學等各類誤差都會使室內構造的彈目視線與理論值存在差異，繼而使制導指令有所偏差，最終使制導精度的置信度大為降低；而捷聯制導體制導引頭與彈體的強烈耦合，致使幾何誤差對其HILS系統的影響更為顯著[9-12]。

為削弱系統誤差的影響，目前，出現了2種處理方法：1)以主要誤差源為參數，通過系統標定、辨識或優化等手段，建立和校驗相應的誤差模型；2)從系統的頻域響應出發，通過校正網絡等手段，補償引起誤差的幅相特性。

以某激光制導武器HILS系統為例，坐標系、參數等定義詳見文獻[8]。如圖2所示，安裝誤差導致對仿真中的彈目視線構造不準確，仿真中的視線誤差角與理論值差異很大，所得的彈道與理論彈道也將存在明顯差異，從而使試驗失去仿真驗證的意義。文獻[8]利用導引頭跟蹤試驗，通過數學辨識手段校正了多項幾何誤差，提高了HILS置信水平。

圖2 彈目視線誤差的示意圖

另外，包括仿真機在內的數字化設備帶來A/D轉換量化誤差、截斷誤差和舍入誤差[11]。為分析這類誤差的影響，設T1為A/D轉換時間，T2為計算執行時間，T3為D/A轉換時間，記τ=T1+T2+T3，Ts為離散系統的采樣周期。

圖3 離散系統的等效頻域特性

假設在系統的工作頻段處均有ω·Ts<<1，則以上離散系統的等效頻域特性近似等效為：

D(s)≈GA(s)e-(τ+Ts/2)s

(1)

由式(1)可知，仿真回路中的數字化采樣可近似等效為純延遲環節，同時不改變設備的動力學特性。2者都將造成系統相位滯后，工程上通過提高采樣頻率和加快設備頻率響應和運算速度，削弱此類誤差的影響，或對系統進行超前校正，主動補償帶來的相位滯后。

1.3 作用與意義

在制導武器研發中，HILS技術為工程方案設計、算法改進、硬件測試、性能評估和故障分析等提供試驗支撐。隨著HILS技術不斷革新，通過靜態與動態相結合、多層次全方位的驗證與評估，形成“研制—改進—定型—生產—訓練”一體化應用體系，大大降低了飛行驗證的風險。

在方案論證階段，依據總體任務完成各分系統的指標分解，分系統完成系統級的數學仿真驗證工作，為單機部件級方案論證提供理論基礎，并為各個單機部件分配相關指標與任務。同時，將單機部件的理論設計、數學仿真與“閉環、開環”半實物仿真相結合，開展產品研制工作；將可嵌入回路的單機產品逐一引入分系統HILS模型，再將各分系統產品依次引入HILS模型，最終構建為總體級HILS平臺。在飛行包絡內的各種戰況下進行HILS驗證，檢驗全過程各分系統間的匹配性以及各級產品性能指標的合理性，為飛行試驗奠定堅實基礎。利用小子樣飛行試驗數據，通過模型辨識進一步校核仿真模型，形成方案論證、產品研制與仿真驗證大閉環，如圖4所示。

圖4 分層逐級HILS驗證

目前，工程師通過HILS技術對彈上核心器件進行非破壞性仿真驗證，達到考核導引頭、角速率陀螺、彈載計算機以及導航、制導與控制算法等的目的[13-19]。

以導航器件多樣性為背景，組合導航算法得以空前的發展，在導航精度與實時性上折衷；各傳感器在原理、采樣頻率、測量精度與信噪比水平等方面各有不同，從而出現對應的最優估計與數據融合算法，通過HILS來驗證其合理性、時效性與魯棒性，勢必成為工程化應用的有力保障。采用成像導引頭的制導系統，其時空濾波、分割、旋轉、縮放、銳化等圖像處理技術和目標識別與跟蹤算法對制導精度有重大影響，而對圖像色調等參數、探測器特性以及各類算法很難準確地建立數學模型，且隔離度、天線罩誤差、噪聲干擾等導引頭相關參數因產品而異。將成像導引頭嵌入回路中，避免此類對象建模困難或模型不準確的問題，以此驗證成像探測器等硬件和目標探測與識別等算法，也有助于在特定硬件水平下改進算法，提高系統的可靠性與魯棒性。彈上控制系統使用包括模糊控制、神經網絡等在內的非線性智能控制，其控制性能往往依賴于核心器件的各項指標，在多種作戰場景下，HILS技術可綜合分析與評估其有效性。

此外，HILS試驗可監測單機器件和各級電路的工作狀態，復現故障現象，為故障診斷提供模擬平臺。HILS技術，還可用于校準復雜被控對象的數學模型；在項目管理方面，這種技術能有效減少決策的盲目性；在制導武器作戰人員操作訓練與指揮方面，HILS發揮著不可替代的作用，尤其是“人在回路”制導體制，通過基于虛擬現實技術的射手平臺操作訓練，可顯著提升人員的作戰能力，減少演練耗彈。圖5為美軍用于實戰化士兵訓練的沉浸式HILS訓練平臺。

圖5 HILS平臺的戰場訓練

2 國外發展現狀

針對制導武器加速研制的迫切需求，世界各國重視HILS技術的發展，競相開展相關的理論研究與工程應用。目前，美國為首的軍事強國已完成多種制導武器HILS平臺建設，代表了當前先進水平。

位于美國Alabama州紅石兵工廠的陸軍導彈司令部高級仿真中心(ASC)已構建多個型號制導武器HILS平臺。ASC把HILS作為陸軍先進精確制導武器系統開發的重要工具，為美國陸軍及其盟國提供了高精度的可靠HILS驗證支持。1975年以來，ASC共開發了14個HILS平臺，包括紅外成像系統仿真、RF仿真系統和多頻譜仿真系統，光電三模制導武器仿真系統等。美國Florida州埃格林空軍基地試驗中心負責開發空軍制導武器系統的測試仿真平臺，構建了全頻譜范圍內末端制導傳感器HILS平臺，射頻/毫米波/紅外/激光/GPS仿真器一應俱全。1980年具備為2～18GHz范圍內主動或被動射頻導引頭提供HILS試驗的能力，曾為空空戰術導彈和雷達制導武器提供過現代化實用HILS設備[19]。

圖6 美國埃格林試驗中心五軸轉臺

來自英國牛津大學的Marko首次將風洞設施引入HILS系統中[17-18]。圖7為其所研制的仿真平臺所使用的風洞設備。這種引入氣動力/力矩的半實物仿真系統的基本原理如圖8所示。

圖7 Marko研制的用于HILS的風洞設備

圖8 將風洞引入仿真回路的HILS系統

系統管理中樞根據導彈當前飛行狀態實時控制噴流速度與密度，建立滿足相似性的流場，將鉸鏈力矩、飛行器結構顫振和下洗渦流所引起的力學畸變等非線性因素引入了仿真回路，由傳感器測量在控制面指令下導彈所受的氣動力與力矩，更逼真的仿真環境使仿真的置信度進一步提高。將風洞實驗融入HILS試驗，其涉及流體力學、控制、通訊和機械制造多個學科領域，是HILS技術的一個里程碑。

3 發展趨勢

美國在該技術領域的先進性就體現在有最先進的物理環境模擬設備，在HILS技術起步階段，美國用于模擬彈體運動的轉臺以精度高、帶寬大和動態性能好而著稱；在圖像制導盛行的今天，本文提到的多種紅外圖像生成技術大多出自美國，且引領著當前的發展潮流，可以看出HILS技術發展中一條重要經驗：HILS技術的發展更依賴于作戰環境模擬技術。

Marko提出的方案首次建立了力/結構/流場耦合物理場[17]，使HILS技術邁出了實質性的一步。真實作戰環境是更為復雜的力/熱/光譜/結構/流場/控制等多物理場耦合系統，通過設備創建的作戰環境越逼真，則HILS的置信度越高。因而，HILS的關鍵技術已不再停留在三維特征圖像保真重構等單個物理場的構造上，取而代之的多物理場耦合模型實現技術是HILS技術在未來發展中亟待突破的核心技術，這也使高速計算、交互分布式、虛擬技術和協同仿真等成為未來的發展方向。

在攻與防“單武器對單目標”的HILS技術還有待較長時間的發展與完善，將來有望發展到“編隊作戰”體系化層面上，即“多武器對多目標”HILS驗證。導彈編隊協同作戰是應對反導系統的唯一途徑，但其飛行驗證難以實施，且成本巨大。基于“單對單”的成熟技術，通過HILS平臺呈現實時整個戰場攻防態勢，是實現彈間實時通訊、協同作戰和任務規劃全程有效驗證最具說服力的手段，能為指揮官決策和制導武器協同作戰理論發展提供有力支撐。

HILS系統的各個設備將會全面升級。新一代制導武器的機動性能將大幅度提升，彈體動態范圍更大，要求相應的轉臺模擬器精度更高、時域響應更快和頻率響應跨度更大；特征圖像、無線電、星矢環境生成的模擬設備及導引頭、導航器件等彈上系統更為復雜，以通訊技術、高性能計算集群和并行計算技術為后盾，大幅度提升數據運算處理和交換傳輸的速度，以滿足HILS對實時性的要求。

另外，早期的HILS平臺，通常是根據用途與任務而研制的非標準件。隨著HILS技術的日益成熟，HILS平臺設備、接口協議以及仿真模型的標準化、系統化和人性化也將成為必然的發展趨勢。

4 總結

現代戰爭促使武器系統向復雜、精密、可靠的趨勢發展下去，且成本越來越高。HILS試驗不僅在效費比方面的優勢相比飛行試驗更為凸顯，而且是提高復雜系統可靠性最有效的手段。可以預見，HILS技術的突破，將有力地推動未來制導武器的跨越式發展。然而，作戰環境的復雜性使HILS技術仍滯后于工程需求，在未來的發展道路上面臨著巨大挑戰，HILS技術仍有待進一步的完善。

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An Overview of Hardware-in-the-Loop Simulation Technique for Precision-Guided Tactical Weapon

Fan Shipeng, Xu Ping, Wu Guang, Li Ling, Qi qi

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Withtherapiddevelopmentofprecision-guidedmunitions,Hardware-in-the-loop-simulation(HILS)techniqueiswidespreadadoptedasaverificationandvalidationmethodduetoitshigherfidelitythanothersandlowcostandplaysansignificantroleTheHILStechniquesforguidedmunitionsaresummarizedinthispaper.Firstly,functionalcomponents,errorsanalysisandmotivationofHILSsystemareintroduced.Then,theoverseaforefrontofHILStechniqueisdescribedindetail.Finally,bytakingcurrentsituationintoaccount,thedevelopmenttrendofHILSisexpatiated,whichcanserveasareferencefordevelopmentofHILStechnique.

Guidedweapon;Hardware-in-the-loop-Simulation;Erroranalysis;Developmenttrend

2016-01-08

范世鵬(1986-)，男，山西運城人，博士后，主要研究方向為飛行器制導與控制、半實物仿真；徐 平(1985-),男，江西南昌人，博士，高級工程師，主要研究方向為精確制導技術；吳 廣(1982-),男，天津靜海人，碩士，工程師，主要研究方向為飛行器制導系統設計；李 伶(1972-)，女，湖北赤壁人，博士，研究員，主要研究方向為飛行器制導、控制與仿真；祁 琪(1991-)，女，青島人，碩士生，主要研究方向為導航、制導與控制。

TJ765.4

A

1006-3242(2016)03-0066-07