地空導彈通用彈道仿真系統設計與實現*

劉 偉,李欣益,管再升,束川良

(上海機電工程研究所,上海 201109)

0 引言

高逼真度的彈道仿真能夠較為真實的模擬導彈在空中的飛行過程,可以預測并控制飛行試驗的風險,是地空導彈設計中的一項重要任務。型號研制過程中,由于各型地空導彈武器系統戰技指標、攔截目標、導彈性能等各有不同,在彈道仿真中,出現了多種數學模型,彈道設計師根據數學模型編寫的彈道仿真程序各式各樣,往往花了大量時間編程,仿真結果卻不理想,彈道仿真準確度不高。同時,由于型號間彈道仿真程序不統一,輸入接口不一致,造成型號間彈道復核復算僅限于數學模型的檢查,無法進行真正的彈道計算。在目前型號研制任務逐漸加重、研制周期逐漸縮短、飛行任務越來越多的情況下,迫切需要一款實用、通用、方便用的彈道仿真工具,提高計算效率,節約人力、物力成本。

國內外對彈道仿真工具的研究已有很多年,并建成了較為實用的仿真軟件,國外洛克希德馬丁公司和NASA蘭利研究中心開發了POST[1],波音公司和NASA格倫研究中心創建了OTIS[2],國內西北工業大學的唐明亮、谷良賢對彈道仿真通用軟件[3]進行了探索,國防科技大學的魯中華、郭振云對彈道通用模型的建立及通用軟件設計進行了研究[4],西北工業大學龔春林、谷良賢將彈道仿真應用在了導彈總體方案軟件系統上[5],兵器203所趙軍民、何亞娟對基于MATLAB/Simulink的彈道模塊化進行了開發[6],北京航空航天大學洪蕾[7]、南京理工大學王仲鐸、王宏波[8]在彈道仿真軟件可視化方面進行了研究。國內外學者與開發人員進行了大量工作,但是這些仿真工具并不能直接應用在國內型號的彈道仿真中。根據型號特點,文中對某幾型地空導彈的彈道模型進行了梳理和規范,基于統一的仿真框架,開發了一套彈道仿真系統。通過界面操作或者少量的編程即可實現一個系統對多個型號進行仿真的功能,并能實現諸如動力系數計算、載荷計算、參數曲線實時顯示、數據快速判斷等功能,具有模塊易更換、界面易操作、實用性強的特點。

1 仿真系統方案

仿真系統采取仿真界面、仿真控制、仿真模型相對獨立的框架,層級清晰,接口明確,便于軟件的維護、升級和擴展。仿真系統主要框架見圖1,核心模塊包括仿真界面模塊、仿真控制模塊、仿真模型模塊,除需要完成仿真功能的核心模塊外,還增加了輔助軟件模塊。

圖1 軟件系統功能模塊框圖

系統的主要目的是實現多個型號的通用彈道仿真,為了實現通用性,系統在以下方面做了探索:

1)建立標準彈道數據庫。對幾個型號的彈道數據梳理后,整合了各個型號的彈道輸出文件,按照最大化原則,建立標準的彈道數據庫,并留有可擴展的空間;建立了彈道數據類,可實現彈道數據的統一管理。

2)建立標準彈道模型。針對不同的彈道模型,對模型進行再細化,建立能夠通用的標準子模型,通過多個子模型可搭建成父模型,例如不同型號制導規律模型不同,但都可劃分為初、中、末制導,初制導模型又可細化為轉彎規律模型、姿態指令形成模型等,各型號相同的子模型可作為標準模型,放入標準模型庫,各型號有差異的子模型可作為選擇模塊,統一其外部接口。

3)外部數據接口標準化。彈道仿真用到很多外部數據,例如質量質心轉動慣量、氣動模型等。外部數據一般由不同專業不同人員提供,不能直接使用,為此軟件系統采取封裝策略,創建了封裝器,使用封裝器可將各類外部數據標準化。標準化后的數據分為兩類:一是文本庫,二是動態鏈接庫。

系統除能進行彈道仿真外,還兼顧彈道優化功能。系統可作為一個彈道計算的求解器,嵌入到ISIGHT等優化軟件中,實現彈道優化。

2 仿真系統實現

系統借助Qt工具,使用C++語言進行編程實現,充分運用了面向對象、繼承、多態等方法。下面對系統已實現的各個功能模塊進行簡要介紹。

2.1 仿真模型

建立彈道仿真模型時充分考慮了模塊易更換、接口可通用的思路,主要建立的仿真模型有:導彈運動學參數模型、總體參數模型、目標模型、氣動模型、自動駕駛儀模型、制導規律模型、相對運動模型、大氣模型、導彈動力學方程組模型、射向瞄準規律模型等,如圖2所示。創建了彈道數據類,模塊之間信息傳輸通過調用彈道數據類對象實現。

圖2 仿真模型

2.1.1 目標模型

目標模型用來確定目標類型、目標位置、目標速度等。防空導彈對付的目標均為快速移動目標,包括飛機類目標、巡航導彈、空地導彈、直升機等,根據是否機動又可分為機動目標和不機動目標。對于同一類目標,又分為兩種模型:一是根據目標運動模型計算出目標運動數據;二是調用目標數據庫得到目標運動數據。

系統利用C++繼承、多態的特性,建立了一個目標基類“HTarget”類,并規定了基類方法,各種不同的目標均繼承自該類。

2.1.2 總體參數模型

總體參數模型用來確定彈道的輸入參數,主要包括:導彈外形參數、發動機推力參數、垂直彈射參數、質量質心轉動慣量等。這些參數既可以通過界面直接設置,也可以通過數據庫獲取。

通過界面可以進行各種組合與參數調整,可以方便的更換發動機、質量質心等輸入數據,根據不同的導彈可設置不同的輸入,可以快速的進行彈道仿真,特別是在論證初期,可通過多參數的調整使導彈性能達到最優。

2.1.3 制導規律模塊

通常,防空導彈按照導彈飛行程序,可劃分為三個飛行階段:初制導、中制導和末制導,在型號研制階段,還有程控指令飛行階段。軟件系統按照四個階段進行設計。

初制導規律采用傳統的垂直發射快速轉彎規律,通過界面可以對轉彎規律參數、初制導終止條件進行選擇或調整;中、末制導規律可選用多種導引規律,目前可供選擇的有修正比例導引規律模型和最優導引律模型,可以通過界面調整比例系數和中末制導交班條件、末制導結束條件等,根據需要后續可增加其他導引規律;程控指令規律可以通過界面進行增添。

除了內置的常用制導規律模型,系統還提供了自定義模型,在接口相似的情況下,支持自定義的各種制導規律。自定義模型采用Matlab的m文件編制而成,進行彈道仿真時軟件系統可自動調用Matlab軟件對m文件進行解釋,完成彈道計算。待自定義的制導規律模型成熟后,可對軟件系統進行升級,將此規律內置在制導規律模型庫中。

2.1.4 射向瞄準規律模塊

射向瞄準規律模塊可計算出初制導滾轉到位后的導彈初始指向,為中末制導飛行創造有利條件。系統提供了三種模式:第一種模式是在型號研制初期,沒有瞄準規律模型時,通過界面指定導彈初始指向;第二種模式是在型號研制過程中,驗證模型的優劣時,將模型編制成腳本程序(或m文件)嵌入到軟件中,通過彈道仿真結果對模型進行判別;第三種模式是型號已經定型或者正在定型時,已經固化的射向瞄準規律模型可以內置在軟件中,通過界面選擇不同模型。

2.1.5 其他模塊

導彈動力學模塊有兩種彈體模型可選擇:質點動力學模型(三自由度)、剛體動力學模型(六自由度),可設置導彈初始運動參數。氣動模塊和自動駕駛儀模塊均采用動態鏈接庫的形式,通過接口的標準化可實現不同氣動模型和自動駕駛儀模型的無縫更換。通常,不同型號的氣動模型和駕駛儀模型不同,軟件可方便的通過更換氣動和駕駛儀動態鏈接庫達到型號與模型一一對應的目的。相對運動學模塊和大氣模塊均采用成熟的數學模型,固化在軟件中;積分模塊采用四階龍格-庫塔積分方法,氣動力、氣動力矩、角度轉換均采用飛行力學中常用的模型。

2.2 仿真界面設計

仿真界面基于Qt編寫,主要功能是為用戶提供友好的人機交互平臺,通過界面操作,可以進行仿真控制、系統設置、參數調節、模塊選擇、模型更改、實時圖形顯示等。2.1節中介紹的大部分仿真模型均可通過相應的界面進行人機交互。仿真系統主界面如圖3所示。

圖3 仿真系統主界面

2.3 仿真控制設計

仿真系統可自由設置仿真類型(典型彈道、全空域彈道、彈道優化等)、仿真時間、仿真步長、仿真終止條件、導彈飛行時間等,并能及時反饋仿真過程(如仿真各參數變化、仿真進度等)。

系統采用多線程控制,界面使用主線程,每一個彈道仿真過程均開辟一個工作線程,可充分利用硬件資源,并確保界面的及時響應。

2.4 輔助模塊

為了提高彈道仿真效率,豐富系統功能,開發了一些輔助模塊,例如實時顯示模塊、三維仿真模塊、腳本調試模塊、數據后處理模塊、鉸鏈力矩計算模塊、氣動特性分析模塊、動力系數分析模塊等。

其中三維仿真模塊基于OpenSceneGraph三維渲染引擎,可以對生成的彈道用三維視景仿真的形式進行表現,仿真效果如圖4所示。

圖4 三維仿真模塊

3 仿真算例

仿真系統可用于多個型號的彈道仿真任務,例如:典型彈道計算、全空域殺傷區計算、射程估算、制導規律優化、對付多種目標條件下彈道性能計算、靶試彈道計算、鉸鏈力矩計算、動力系數計算、可用過載計算、特征點氣動特性分析等。

使用時,可通過在菜單中選擇不同型號的配置文件進行不同型號的彈道仿真。以某地空型號為例,用該系統進行靶試彈道仿真,同時該彈道也進行了實際的靶場飛行試驗。仿真條件為攔截虛擬平飛飛機目標,攔截點距發射點斜距125 km,攔截點海拔高度5 km,全程彈道和姿態角變化曲線與實際飛行試驗靶試彈道對比如圖5和圖6所示(其中彈道軌跡表示為北天東坐標系)。由圖5、圖6可見,仿真的彈道與靶試飛行的彈道基本重合,兩者姿態角偏差很小,仿真系統能較為逼真的模擬導彈的飛行過程,對地空導彈的研制起到了重要作用。

圖5 仿真與靶試彈道軌跡對比

圖6 仿真與靶試的姿態角對比

4 結束語

針對型號研制過程中彈道仿真的需求,開發了一套彈道仿真系統,文中對仿真系統通用化、模塊化的實現思路進行了描述,并對各模塊的實現情況進行了簡要介紹。初步應用表明,該系統可進行多個型號多個彈道任務的工作,顯著提高了工作效率。