某制空型無(wú)人機(jī)武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件設(shè)計(jì)

王培 金琳乘

針對(duì)制空型無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)仿真演示驗(yàn)證預(yù)先研究的需求，提出了一種武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件設(shè)計(jì)方法，包含懸掛物管理分系統(tǒng)和機(jī)載武器系統(tǒng)兩部分內(nèi)容，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了武器控制管理邏輯的正確性，空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

無(wú)人機(jī)的自主作戰(zhàn)能力是無(wú)人機(jī)的最大特性，隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)在整個(gè)作戰(zhàn)體系中扮演著越來(lái)越重要的角色是必然趨勢(shì)。針對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)需求，各國(guó)正積極探索開(kāi)發(fā)無(wú)人系統(tǒng)之間的協(xié)同作戰(zhàn)能力。從目前的裝備能力和技術(shù)水平來(lái)看，現(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)作為協(xié)同空戰(zhàn)系統(tǒng)中的作戰(zhàn)執(zhí)行者，也是整個(gè)指揮控制環(huán)的終端環(huán)節(jié)，無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)能力對(duì)整個(gè)協(xié)同系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能具有直接影響。在一次制空作戰(zhàn)中，無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)術(shù)角色會(huì)根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化，作為武器投放平臺(tái)具備中遠(yuǎn)距武器自動(dòng)投放能力。并且在必要時(shí)，可實(shí)現(xiàn)直接投放中距精確制導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊敵先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的戰(zhàn)術(shù)需求。因此，機(jī)載武器系統(tǒng)對(duì)提高無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)效能具有重要作用。

武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件設(shè)計(jì)

武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件主要模擬懸掛物管理系統(tǒng)及其所管理的飛機(jī)掛載武器系統(tǒng)，由懸掛物管理分系統(tǒng)仿真模塊和機(jī)載武器系統(tǒng)仿真模塊組成，具備多機(jī)控制能力，可控制紅、藍(lán)雙方各四架飛機(jī)（其中控制飛機(jī)數(shù)量通過(guò)輸入來(lái)源于總控臺(tái)的“紅、藍(lán)對(duì)抗數(shù)量”確定），每架飛機(jī)四個(gè)掛點(diǎn)，通過(guò)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與任務(wù)系統(tǒng)主控仿真模塊、視景仿真模塊和目標(biāo)生成仿真模塊之間交聯(lián)，模擬武器與制空型無(wú)人機(jī)之間的接口通訊，對(duì)武器從掛載到上電、準(zhǔn)備、發(fā)射、離機(jī)以及武器飛行彈道的全過(guò)程進(jìn)行仿真，完成武器的發(fā)控管理以及武器投放后的彈道解算，并向視景仿真模塊輸出武器發(fā)射后的飛行彈道及內(nèi)埋彈倉(cāng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

武器系統(tǒng)數(shù)字仿真模塊與航電系統(tǒng)在配套仿真驗(yàn)證環(huán)境中的各個(gè)模塊交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件與任務(wù)系統(tǒng)主控仿真模塊、視景仿真模塊以及目標(biāo)生成仿真模塊交聯(lián)，交聯(lián)數(shù)據(jù)如下：

a）與任務(wù)系統(tǒng)主控仿真模塊交聯(lián)，傳遞武器狀態(tài)數(shù)據(jù)、艙門狀態(tài)數(shù)據(jù)以及武器配置信息，并且傳遞機(jī)載武器控制信息、任務(wù)數(shù)據(jù)、中制導(dǎo)數(shù)據(jù)；

b）接收目標(biāo)生成仿真模塊的真實(shí)目標(biāo)數(shù)據(jù)作為導(dǎo)彈末制導(dǎo)目標(biāo)數(shù)據(jù)參數(shù)；

c）向視景仿真模塊輸出導(dǎo)彈飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)及艙門狀態(tài)數(shù)據(jù)。

為提高武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件的復(fù)用性，仿真軟件采用C語(yǔ)言類的封裝形式，生成飛機(jī)懸掛物管理分系統(tǒng)類對(duì)象，通過(guò)接收總控臺(tái)的“紅、藍(lán)對(duì)抗數(shù)量”確定仿真飛機(jī)的數(shù)量，生產(chǎn)相應(yīng)數(shù)量的懸掛物管理分系統(tǒng)類實(shí)例，達(dá)到同時(shí)實(shí)現(xiàn)仿真多架飛機(jī)武器系統(tǒng)的功能。

懸掛物管理分系統(tǒng)軟件仿真設(shè)計(jì)

武器系統(tǒng)中的懸掛物管理分系統(tǒng)接收由任務(wù)系統(tǒng)主控模塊發(fā)送的武器控制信息，控制機(jī)載武器系統(tǒng)選擇具體的武器占位并控制占位武器進(jìn)行從參數(shù)裝訂、準(zhǔn)備到正常發(fā)射的工作流程和狀態(tài)，并下發(fā)機(jī)載武器雷達(dá)彈、紅外彈所需裝訂的任務(wù)參數(shù)信息；向任務(wù)系統(tǒng)主控模塊傳遞武器系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及艙門狀態(tài)數(shù)據(jù)。懸掛物管理分系統(tǒng)在得到懸掛物清單后通過(guò)任務(wù)系統(tǒng)主控模塊傳輸給地面站進(jìn)行顯示；在導(dǎo)彈發(fā)射后向視景仿真模塊輸出導(dǎo)彈飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)及艙門狀態(tài)數(shù)據(jù)；在導(dǎo)彈中末制導(dǎo)交班后，向彈道仿真程序轉(zhuǎn)發(fā)由目標(biāo)生成仿真模塊生成的真實(shí)目標(biāo)信息。

機(jī)載武器雷達(dá)彈、紅外彈的機(jī)上工作邏輯及飛行導(dǎo)彈解算等仿真功能，通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式提供給懸掛物管理分系統(tǒng)仿真軟件，仿真軟件根據(jù)工作模式，調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)，完成參數(shù)的輸入，獲取武器工作狀態(tài)、導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)。

對(duì)懸掛物管理分系統(tǒng)的核心功能需求進(jìn)行分析：

（1）作為武器系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)，能夠具備調(diào)用局域網(wǎng)內(nèi)（實(shí)時(shí)網(wǎng)/以太網(wǎng)環(huán)境下）其它計(jì)算機(jī)中的彈道解算軟件的功能；

（2）可實(shí)現(xiàn)紅、藍(lán)對(duì)抗雙方各四架飛機(jī)、每架飛機(jī)4個(gè)掛點(diǎn)的武器仿真管理，武器類型為中遠(yuǎn)距雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈、近距紅外格斗導(dǎo)彈，其中左右彈倉(cāng)可各內(nèi)埋懸掛2枚空空導(dǎo)彈，具備混掛能力；

（3）負(fù)責(zé)艙門狀態(tài)管理，控制管理彈艙艙門開(kāi)/閉，協(xié)調(diào)艙門開(kāi)/閉和武器投放時(shí)機(jī)；

（4）負(fù)責(zé)武器清單管理、武器狀態(tài)管理、武器占位管理及武器故障管理；

（5）實(shí)現(xiàn)機(jī)載武器的發(fā)控管理功能，包含：供電控制、參數(shù)裝訂、地面自檢、空中準(zhǔn)備、投放控制及安全性管理；具備導(dǎo)彈自動(dòng)準(zhǔn)備功能，能夠進(jìn)行多枚導(dǎo)彈的同時(shí)準(zhǔn)備；

（6）具備導(dǎo)彈發(fā)射后模擬數(shù)據(jù)鏈向空空導(dǎo)彈傳遞中制導(dǎo)信息，并接收其回傳的彈道數(shù)據(jù)以及武器狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，并保證能夠?qū)崟r(shí)的向視景系統(tǒng)進(jìn)行傳輸；

（7）具備與任務(wù)系統(tǒng)主控仿真模塊、視景仿真模塊以及目標(biāo)生成仿真模塊的交聯(lián)功能；

（8）具有可擴(kuò)展接口，具備調(diào)用其它武器控制模塊功能以及預(yù)留武器相應(yīng)計(jì)算模塊嵌入功能。

對(duì)懸掛物管理分系統(tǒng)仿真軟件核心功能需求分析的基礎(chǔ)上，按照軟件的內(nèi)在邏輯關(guān)系及模塊化程序設(shè)計(jì)思想，把仿真軟件劃分為5個(gè)相對(duì)獨(dú)立又相互依存的計(jì)算機(jī)軟件部件（簡(jiǎn)稱CSC），每個(gè)計(jì)算機(jī)軟件部件下又細(xì)化為多個(gè)計(jì)算機(jī)軟件單元（簡(jiǎn)稱CSU）。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，力求把計(jì)算機(jī)軟件部件之間的耦合關(guān)系降到最低，保證各個(gè)計(jì)算機(jī)軟件部件之間接口明確、簡(jiǎn)練。各計(jì)算機(jī)軟件部件功能說(shuō)明：

（1）仿真程序管理（SysProcess_Manage）：仿真程序管理，實(shí)現(xiàn)仿真軟件的運(yùn)行，包括界面顯示、接口數(shù)據(jù)管理、懸掛物管理系統(tǒng)管理：

（2）顯示界面（SysProcess_Display）：提供仿真軟件所需要的操作顯示界面，調(diào)用仿真程序主框架，根據(jù)仿真結(jié)果和界面操作在仿真器上實(shí)時(shí)顯示軟件運(yùn)行狀態(tài)、武器系統(tǒng)狀態(tài)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控：

（3）以太網(wǎng)控制管理（SysProcess_Net）：獲取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括啟動(dòng)、關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)，接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，獲取網(wǎng)管服務(wù)器狀態(tài)，執(zhí)行仿真程序主框架等：

（4）懸掛物管理系統(tǒng)仿真（SysProcess_SMSSim）：仿真懸掛物管理系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)懸掛物管理系統(tǒng)仿真模型、武器管理和控制、艙門控制和仿真、雷達(dá)彈發(fā)控管理、紅外彈發(fā)控管理：

（5）與其他系統(tǒng)交聯(lián)（SysProcess_Systems）：從任務(wù)系統(tǒng)主控臺(tái)獲取命令和數(shù)據(jù)供轉(zhuǎn)換為仿真軟件各計(jì)算機(jī)軟件部件使用的數(shù)據(jù)和命令，獲取武器飛行數(shù)據(jù)和艙門狀態(tài)后向視景仿真系統(tǒng)發(fā)送。

懸掛物管理分系統(tǒng)仿真軟件的頂層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

懸掛物管理分系統(tǒng)仿真模型流程見(jiàn)圖3，軟件接口關(guān)系見(jiàn)圖4。

機(jī)載武器系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計(jì)

機(jī)載武器系統(tǒng)仿真軟件作為武器系統(tǒng)仿真軟件的一個(gè)模塊，由懸掛物管理分系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行調(diào)用，制空型無(wú)人機(jī)掛載的武器為兩型空空導(dǎo)彈，分別為中遠(yuǎn)距雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈、近距紅外格斗導(dǎo)彈。機(jī)載武器系統(tǒng)仿真軟件所需的任務(wù)數(shù)據(jù)與中制導(dǎo)、末制導(dǎo)數(shù)據(jù)均由懸掛物管理分系統(tǒng)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)，接收懸掛物管理分系統(tǒng)的控制信息并按照控制邏輯回傳相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

機(jī)載武器系統(tǒng)仿真軟件能夠?qū)?dǎo)彈的加溫、準(zhǔn)備、發(fā)射、中制導(dǎo)（含中末制導(dǎo)交接）、末制導(dǎo)的整個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行模擬，完成彈道仿真計(jì)算，并輸出導(dǎo)彈彈道參數(shù)和截獲等信息。

對(duì)機(jī)載武器系統(tǒng)仿真軟件的核心功能需求進(jìn)行分析：

（1）具備武器離梁后的彈道解算功能，周期性實(shí)時(shí)解算并輸出空空導(dǎo)彈的三自由度彈道和姿態(tài)等數(shù)據(jù)，并通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)傳輸；

（2）具備模擬空空導(dǎo)彈中制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈制導(dǎo)數(shù)據(jù)接收與導(dǎo)彈位置回傳功能；

（3）具有同時(shí)輸出多枚空空導(dǎo)彈彈道仿真能力；

（4）具備攻擊雙目標(biāo)的仿真功能；

（5）能夠模擬導(dǎo)彈準(zhǔn)備、發(fā)射、離機(jī)、空間運(yùn)動(dòng)、制導(dǎo)飛行、導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)、命中或偏離目標(biāo)等狀態(tài)；

（6）具備武器掛機(jī)工作流程仿真功能；

（7）紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈要求在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上達(dá)到數(shù)據(jù)鏈支持下的發(fā)射后截獲目標(biāo)的能力。

對(duì)機(jī)載武器系統(tǒng)仿真軟件核心功能需求分析的基礎(chǔ)上，按照功能劃分，機(jī)載武器系統(tǒng)仿真軟件主要分為操作使用模塊、彈道仿真模塊兩部分：

（1）操作使用模塊：能夠完成導(dǎo)彈掛機(jī)時(shí)接收飛行任務(wù)信息，完成導(dǎo)彈加溫、準(zhǔn)備、發(fā)射過(guò)程的模擬，在系統(tǒng)給出激勵(lì)時(shí)，能夠按照導(dǎo)彈的真實(shí)工作過(guò)程，延遲相應(yīng)時(shí)間后給出響應(yīng)。

（2）彈道仿真模塊：主要用于導(dǎo)彈整個(gè)自主飛行過(guò)程的模擬，能夠根據(jù)飛行任務(wù)信息，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈不同工作模式下的飛行彈道計(jì)算。雷達(dá)制導(dǎo)型導(dǎo)彈仿真軟件在收到“發(fā)射”指令時(shí)，能夠根據(jù)輸入的發(fā)射條件，對(duì)雷達(dá)制導(dǎo)型導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)時(shí)的飛行特性進(jìn)行彈道仿真和模擬，同時(shí)輸出特定的彈道參數(shù)和仿真結(jié)果。

機(jī)載武器系統(tǒng)仿真軟件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

空導(dǎo)彈仿真軟件根據(jù)外部提供的控制時(shí)序進(jìn)行工作，并根據(jù)載機(jī)、目標(biāo)信息進(jìn)行彈道的仿真計(jì)算。

武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件設(shè)計(jì)測(cè)試驗(yàn)證

制空型無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件開(kāi)始運(yùn)行后，在總控制臺(tái)的控制下，通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)，接收任務(wù)系統(tǒng)綜合管理仿真模塊的命令控制進(jìn)行彈艙內(nèi)武器數(shù)據(jù)加載，加載完成后上報(bào)武器配置清單，并對(duì)加載的武器進(jìn)行參數(shù)裝訂。武器發(fā)射后調(diào)用彈道解算函數(shù)實(shí)時(shí)解算武器彈道，模擬中制導(dǎo)過(guò)程向空空導(dǎo)彈傳遞中制導(dǎo)數(shù)據(jù)信息，并將飛行數(shù)據(jù)與內(nèi)埋彈倉(cāng)艙門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)送給視景仿真模塊，進(jìn)行顯示。分別對(duì)單機(jī)測(cè)試狀態(tài)、單機(jī)對(duì)抗?fàn)顟B(tài)、多機(jī)對(duì)抗?fàn)顟B(tài)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

單機(jī)測(cè)試狀態(tài)試驗(yàn)

在紅方或藍(lán)方單機(jī)狀態(tài)下由試驗(yàn)總控臺(tái)模擬目標(biāo)，載機(jī)掛載兩枚空空導(dǎo)彈進(jìn)行攔截模式試驗(yàn)。導(dǎo)彈掛機(jī)狀態(tài)由火控系統(tǒng)傳輸任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)，導(dǎo)彈離機(jī)后由本機(jī)發(fā)送中制導(dǎo)數(shù)據(jù)，在末制導(dǎo)導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)后，懸掛物管理分系統(tǒng)將目標(biāo)（目標(biāo)仿真器中目標(biāo)位置信息）真實(shí)坐標(biāo)發(fā)送給武器仿真系統(tǒng)。主要驗(yàn)證武器管理邏輯、空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)和命中狀態(tài)。

試驗(yàn)中設(shè)置了多種目標(biāo)位置和航線攻擊，均能有效完成攻擊任務(wù)，驗(yàn)證了武器管理邏輯正確，空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)正確。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

單機(jī)對(duì)抗?fàn)顟B(tài)試驗(yàn)

在紅方、藍(lán)方各一架機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)抗測(cè)試，雙方載機(jī)各掛載兩枚空空導(dǎo)彈進(jìn)行攔截模式試驗(yàn)。導(dǎo)彈掛機(jī)狀態(tài)由火控系統(tǒng)傳輸任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)，導(dǎo)彈離機(jī)后由本機(jī)發(fā)送中制導(dǎo)數(shù)據(jù)，在末制導(dǎo)導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)后，懸掛物管理分系統(tǒng)將目標(biāo)（紅、藍(lán)方目標(biāo)機(jī)位置信息）真實(shí)坐標(biāo)發(fā)送給武器仿真系統(tǒng)。主要驗(yàn)證紅藍(lán)雙方單機(jī)狀態(tài)下武器管理邏輯、空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)和命中狀態(tài)。

試驗(yàn)中設(shè)置了多種目標(biāo)位置和航線對(duì)抗攻擊，均能有效完成攻擊任務(wù)，驗(yàn)證了紅藍(lán)雙方武器管理邏輯正確，空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)正確。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

多機(jī)對(duì)抗?fàn)顟B(tài)試驗(yàn)

在紅方、藍(lán)方各兩架機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)抗測(cè)試，雙方載機(jī)各掛載兩枚空空導(dǎo)彈進(jìn)行攔截模式試驗(yàn)。導(dǎo)彈掛機(jī)狀態(tài)由火控系統(tǒng)傳輸任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)，導(dǎo)彈離機(jī)后由本機(jī)發(fā)送中制導(dǎo)數(shù)據(jù)，在末制導(dǎo)導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)后，懸掛物管理分系統(tǒng)將目標(biāo)（紅、藍(lán)方目標(biāo)機(jī)位置信息）真實(shí)坐標(biāo)發(fā)送給武器仿真系統(tǒng)。主要驗(yàn)證紅藍(lán)雙方多機(jī)狀態(tài)下武器管理邏輯、空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)和命中狀態(tài)。

試驗(yàn)中設(shè)置了多種目標(biāo)位置和航線多機(jī)對(duì)抗攻擊，均能有效完成攻擊任務(wù)，驗(yàn)證了紅藍(lán)雙方多機(jī)狀態(tài)武器管理邏輯正確，空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)正確。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

結(jié)論

制空型無(wú)人機(jī)武器系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件是在深入分析課題功能需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，并在試驗(yàn)驗(yàn)證中采用多種目標(biāo)生成方法和載機(jī)飛行狀態(tài)，均能有效完成攻擊任務(wù)，驗(yàn)證了武器控制管理邏輯的正確性，空空導(dǎo)彈彈道輸出數(shù)據(jù)的正確性。能夠滿足制空型無(wú)人機(jī)課題使用需求。