紅外成像制導(dǎo)防空導(dǎo)彈半實(shí)物仿真方法研究

王超磊,杜 漸,石建華

(1.北京仿真中心 航天系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100854;2.北京仿真中心 北京市復(fù)雜產(chǎn)品先進(jìn)制造系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100854)

0 引言

隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展,紅外成像制導(dǎo)已成為防空導(dǎo)彈制導(dǎo)體制發(fā)展的重要方向。紅外成像體制防空導(dǎo)彈能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行精確識別和定位,在目標(biāo)探測、抗干擾等方面具有顯著優(yōu)勢。紅外成像制導(dǎo)武器需要針對探測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的性能、硬件產(chǎn)品的動態(tài)匹配性、控制方法的正確性和適應(yīng)性進(jìn)行大量驗(yàn)證試驗(yàn)。

半實(shí)物仿真是對導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證的重要手段。半實(shí)物仿真系統(tǒng)通過構(gòu)建紅外成像制導(dǎo)武器所需的紅外目標(biāo)環(huán)境場景、導(dǎo)彈姿態(tài),以及彈目相對運(yùn)動等模擬環(huán)境,將制導(dǎo)控制系統(tǒng)硬件實(shí)物接入仿真系統(tǒng)并構(gòu)成實(shí)時(shí)仿真回路,對控制回路的性能和產(chǎn)品特性進(jìn)行驗(yàn)證。在試驗(yàn)過程中設(shè)定不同的試驗(yàn)條件、邊界條件,重復(fù)、多次地實(shí)現(xiàn)該武器在不同復(fù)雜環(huán)境條件下的模擬飛行,對彈上設(shè)備的目標(biāo)識別定位、抗干擾、制導(dǎo)控制系統(tǒng)工作性能進(jìn)行驗(yàn)證,能夠顯著降低飛行試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn),節(jié)約研制成本,對紅外成像制導(dǎo)武器研制具有重要意義。

本文詳細(xì)介紹了紅外成像制導(dǎo)控制半實(shí)物仿真方法,完成了整體方案設(shè)計(jì),介紹了各分系統(tǒng)組成,給出了半實(shí)物仿真試驗(yàn)方法,開展了仿真試驗(yàn)驗(yàn)證,最后給出了總結(jié)。

1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成

半實(shí)物仿真系統(tǒng)原理如圖1所示。半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要由仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、參試產(chǎn)品、仿真模擬設(shè)備等組成。其中：仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由仿真主控計(jì)算機(jī)、模擬發(fā)控/遙測計(jì)算機(jī)、通訊接口、實(shí)時(shí)仿真軟件組成;參試產(chǎn)品通常包括彈上計(jì)算機(jī)、慣性測量裝置、舵機(jī)和紅外導(dǎo)引頭;仿真模擬設(shè)備包含五軸飛行轉(zhuǎn)臺、負(fù)載力矩模擬器、圖像生成系統(tǒng)和紅外動態(tài)場景模擬系統(tǒng)。

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成原理圖Fig.1 Structure of the hardware-in-the-loop simulation test

1.1 仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

仿真主控計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)仿真試驗(yàn)過程管理,解算彈體動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、彈目相對運(yùn)動等數(shù)學(xué)模型,完成與參試實(shí)物和仿真設(shè)備的接口通訊,同時(shí)具備仿真運(yùn)行過程中人機(jī)交互、數(shù)據(jù)監(jiān)視和仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄取等功能。

模擬發(fā)控/遙測計(jì)算機(jī)在啟動飛行命令前用于模擬地面測發(fā)控系統(tǒng)與彈上計(jì)算機(jī)通信;在發(fā)送啟動飛行命令后,模擬地面遙測設(shè)備,接收彈上數(shù)字遙測數(shù)據(jù)。

仿真接口主要完成仿真計(jì)算機(jī)與仿真設(shè)備、參試產(chǎn)品的通訊。在本仿真系統(tǒng)中,接口分為兩類：一是仿真計(jì)算機(jī)與仿真設(shè)備間的接口,包括仿真計(jì)算機(jī)與五軸轉(zhuǎn)臺、圖像生成系統(tǒng)的接口;二是仿真計(jì)算機(jī)與參試產(chǎn)品的接口,主要包括仿真計(jì)算機(jī)與導(dǎo)引頭、彈上計(jì)算機(jī)、慣性測量裝置、舵機(jī)的通訊接口。

1.2 圖像生成系統(tǒng)

圖像生成系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)的三維實(shí)體建模、紅外輻射特性建模和紅外視景實(shí)時(shí)動態(tài)仿真,在仿真過程中根據(jù)實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)為紅外動態(tài)場景模擬系統(tǒng)提供動態(tài)的紅外目標(biāo)特性圖像,以滿足紅外成像導(dǎo)引頭仿真測試的需要。

紅外圖像生成軟件實(shí)現(xiàn)場景和干擾的紅外仿真建模,通過光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與仿真主控計(jì)算機(jī)通信,接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)完成目標(biāo)驅(qū)動并將生成的數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)投影系統(tǒng)。

圖像生成軟件以法國 OKTAL-SE 公司的仿真產(chǎn)品SE-WORKBENCH-EO,SE-SPECIALEFFECT 和二次集成定制開發(fā)軟件為基礎(chǔ)平臺,根據(jù)傳感器與紅外目標(biāo)、干擾目標(biāo)之間的相對運(yùn)動狀態(tài)、目標(biāo)和干擾目標(biāo)輻射特性的變化特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)紅外目標(biāo)、干擾及場景的建模、運(yùn)動模擬及圖像生成。圖像生成軟件體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 圖像生成軟件體系架構(gòu)Fig.2 Structure of the image generation software

1.3 紅外動態(tài)場景模擬系統(tǒng)

紅外動態(tài)場景模擬系統(tǒng)將圖像生成系統(tǒng)生成的目標(biāo)和背景紅外數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成物理紅外熱像,模擬遠(yuǎn)距離3～5μm 和8～12μm 紅外熱像,為紅外成像探測、跟蹤、制導(dǎo)和紅外干擾等技術(shù)的研究和系統(tǒng)測試提供紅外環(huán)境。

中波紅外圖像投影系統(tǒng)接收圖像計(jì)算機(jī)提供的源圖像,將其轉(zhuǎn)換成紅外熱像,進(jìn)行放大、準(zhǔn)直和配準(zhǔn)后投射到被測設(shè)備入瞳,使被測設(shè)備看到相當(dāng)于遠(yuǎn)距離、清晰的紅外熱像。圖3為紅外動態(tài)場景模擬系統(tǒng)組成圖,中波紅外圖像投影系統(tǒng)由四部分組成,分別為：光學(xué)投影分系統(tǒng)、照明分系統(tǒng)、DMD 微鏡陣列組、供電及控制系統(tǒng)(包括本地控制臺、遠(yuǎn)程控制臺、電控箱和制冷機(jī))。

圖3 紅外動態(tài)場景模擬器系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of the infrared scene simulator system

系統(tǒng)工作時(shí),由圖形工作站生成源圖像或使用實(shí)拍紅外錄像作為圖像源,通過顯卡DVI-D 接口或?qū)Ｓ猛ㄓ嵔涌诎蹇?傳送給模擬器,模擬器在供電及控制系統(tǒng)的控制下接收視頻信號,并以接收到的外同步信號作為DMD 圖像寫入及輸出信號。通過DMD 微鏡陣列組和照明系統(tǒng)的共同作用,將其轉(zhuǎn)換成紅外熱像,經(jīng)光學(xué)投影分系統(tǒng)對圖像進(jìn)行放大、準(zhǔn)直和配準(zhǔn)后,輸送給被測設(shè)備。光學(xué)投影分系統(tǒng)的視場始終覆蓋被測光電系統(tǒng)的視場,使被測設(shè)備看到相當(dāng)于遠(yuǎn)距離、清晰的紅外熱像。

光學(xué)投影分系統(tǒng)的作用是將微反射鏡陣列反射的目標(biāo)及背景輻射源輻射準(zhǔn)直、投射出,并與被測設(shè)備的入瞳完善耦合,使被測設(shè)備能夠觀察到清晰、無漸暈的圖像。

照明分系統(tǒng)包括目標(biāo)輻射源、背景輻射源、能量調(diào)整用微鏡陣列、衰減片和相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng),為DMD 微鏡陣列組提供紅外輻射源。

DMD微鏡陣列組的作用有：1)接收圖形工作站的視頻信號,將該視頻信號轉(zhuǎn)換成與圖形工作站視頻信號對應(yīng)的微鏡翻轉(zhuǎn)動作;2)接收被測設(shè)備提供的、經(jīng)同步調(diào)制驅(qū)動電路進(jìn)行相位調(diào)節(jié)后的同步信號,作為單幀圖像輸出的啟動信號,實(shí)現(xiàn)DMD微鏡陣列輸出圖像與被測設(shè)備的積分時(shí)間同步,保證被測設(shè)備所觀察到的紅外熱像無假灰度現(xiàn)象與閃爍現(xiàn)象。

1.4 五軸轉(zhuǎn)臺

轉(zhuǎn)臺是仿真系統(tǒng)中角運(yùn)動的模擬設(shè)備,主要包括導(dǎo)彈彈體的姿態(tài)運(yùn)動以及彈目視線角的運(yùn)動,一般采用五軸臺結(jié)構(gòu),內(nèi)三軸轉(zhuǎn)臺模擬彈體姿態(tài)運(yùn)動,外兩軸轉(zhuǎn)臺模擬彈目視線運(yùn)動。在仿真試驗(yàn)時(shí),慣性測量裝置、紅外導(dǎo)引頭等參試產(chǎn)品安裝在內(nèi)三軸轉(zhuǎn)臺上,紅外動態(tài)場景模擬系統(tǒng)安裝在外兩軸轉(zhuǎn)臺上。

1.5 負(fù)載力矩模擬器

負(fù)載力矩模擬器用于舵機(jī)參試時(shí)模擬導(dǎo)彈在飛行過程中作用在舵面上的氣動載荷及其他載荷,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)性能測試。在仿真試驗(yàn)過程中,仿真機(jī)根據(jù)當(dāng)前動壓等參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算鉸鏈力矩指令,發(fā)送給負(fù)載力矩模擬器。模擬器根據(jù)指令生成對應(yīng)力矩加載到舵面上,模擬舵面在實(shí)際飛行中收到的氣動載荷。

2 半實(shí)物仿真方法

2.1 半實(shí)物仿真模型構(gòu)建

圖4為半實(shí)物仿真建模框圖。在整個(gè)流程內(nèi),控制系統(tǒng)輸出舵指令到舵機(jī);舵機(jī)響應(yīng)相應(yīng)指令,形成舵偏角;舵偏角帶入彈體模型,完成動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)計(jì)算;慣性測量裝置接收彈體運(yùn)動信息,輸出角運(yùn)動和線運(yùn)動信息至控制系統(tǒng);紅外導(dǎo)引頭根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動和彈目相對運(yùn)動關(guān)系,輸出視線角信息至控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)接收慣性測量裝置和紅外導(dǎo)引頭信息,完成導(dǎo)航和制導(dǎo)控制解算,輸出下一時(shí)刻舵機(jī)控制指令,完成整個(gè)流程閉環(huán)。

圖4 仿真建模框圖Fig.4 Structure of simulation model

彈體動力學(xué)模型為

式中：m為導(dǎo)彈質(zhì)量;V x,V y,V z為彈體速度;F x,F y,F z為所受合力;ωx,ωy,ωz為角速度;g x,g y,g z為加速度;M x,M y,M z為所受合力矩;J x,J y,J z為轉(zhuǎn)動慣量。

彈體運(yùn)動學(xué)模型為

式中：X,Y,Z為導(dǎo)彈位置;q0,q1,q2,q3為姿態(tài)四元數(shù)。

彈目相對運(yùn)動模型為

式中：X m,Y m,Z m為目標(biāo)位置;V xm,V ym,V zm為目標(biāo)速度;ΔR和為相對距離和相對速度;qε,qβ,為視線角和視線角速度。

2.2 半實(shí)物仿真軟件設(shè)計(jì)

半實(shí)物仿真軟件是仿真系統(tǒng)的核心軟件,在完成數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)解算的同時(shí),實(shí)現(xiàn)和參試產(chǎn)品及仿真設(shè)備的信息交互。半實(shí)物仿真軟件還支持人機(jī)交互操作與顯示等功能。

在Windows+RTX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下完成仿真軟件開發(fā)。RTX 在Windows體系結(jié)構(gòu)中增加了1個(gè)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)RTSS,以彌補(bǔ)Windows非實(shí)時(shí)的問題。RTSS使用自身中斷管理模式,任務(wù)調(diào)度超前于Windows,保證RTX 的實(shí)時(shí)性。RTX 任務(wù)和Windows的任務(wù)通過共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù),既保留了Windows平臺的原有特征,又可以將實(shí)時(shí)任務(wù)放入實(shí)時(shí)子系統(tǒng)RTSS中執(zhí)行。圖5為半實(shí)物仿真軟件交互界面圖。

圖5 半實(shí)物仿真軟件人機(jī)交互界面Fig.5 Interactive interface of simulation software

2.3 仿真試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

紅外成像制導(dǎo)控制半實(shí)物仿真試驗(yàn)流程主要包括：

1)仿真設(shè)備研制,包括仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、仿真專用接口、仿真電纜、仿真試驗(yàn)軟件開發(fā)等;

2)試驗(yàn)前仿真設(shè)備測試,包括仿真計(jì)算機(jī)接口測試、仿真電纜測試、仿真試驗(yàn)軟件測試等;

3)試驗(yàn)前參試設(shè)備性能復(fù)驗(yàn),包括彈上計(jì)算機(jī)、慣性測量組合、紅外導(dǎo)引頭、舵機(jī)等產(chǎn)品狀態(tài)確認(rèn);

4)兩兩對接與系統(tǒng)集成試驗(yàn),包括仿真設(shè)備間的對接試驗(yàn)、仿真設(shè)備與參試產(chǎn)品間的對接試驗(yàn)、參試產(chǎn)品間的對接試驗(yàn)以及整個(gè)仿真系統(tǒng)集成聯(lián)合試驗(yàn);

5)控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn),一般包括兩類。一是僅彈上計(jì)算機(jī)參試的半實(shí)物仿真試驗(yàn),主要用于飛控軟件綜合測試、控制方法和控制精度測試等;二是所有參試產(chǎn)品接入回路的半實(shí)物仿真試驗(yàn),主要用于對控制系統(tǒng)產(chǎn)品的動態(tài)匹配性進(jìn)行檢驗(yàn),對各設(shè)備的模型進(jìn)行校核。

3 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

構(gòu)建紅外成像制導(dǎo)控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)包含實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖像生成系統(tǒng)、紅外動態(tài)場景模擬系統(tǒng)、五軸飛行轉(zhuǎn)臺和負(fù)載力矩模擬器。半實(shí)物仿真軟件運(yùn)行在實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)中,參試的彈上實(shí)物為紅外導(dǎo)引頭、彈上計(jì)算機(jī)、慣性測量裝置和舵機(jī)。

以某測試彈道為例,通過半實(shí)物仿真試驗(yàn),對本文所提方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。圖6為數(shù)學(xué)仿真與半實(shí)物仿真輸出的視線角速度對比。試驗(yàn)結(jié)果表明：仿真系統(tǒng)能夠和參試產(chǎn)品間完成正常信息交互,能夠正確運(yùn)行各類數(shù)學(xué)模型;仿真試驗(yàn)有效驗(yàn)證了動態(tài)條件下各參試產(chǎn)品間的工作協(xié)調(diào)性和匹配性,驗(yàn)證了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和適用性,為飛行試驗(yàn)前控制系統(tǒng)參數(shù)確定提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。

圖6 視線角速度對比Fig.6 Competition of line-of-sight velocity

4 結(jié)論

本文針對紅外成像制導(dǎo)控制半實(shí)物仿真開展研究,詳細(xì)介紹了仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和功能組成,給出了仿真模型構(gòu)建、仿真軟件設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)等半實(shí)物仿真方法,并最終構(gòu)建仿真系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)對本文所提仿真方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠有效模擬紅外成像制導(dǎo)武器各類運(yùn)行狀態(tài)和目標(biāo)環(huán)境,可有效支撐相關(guān)型號的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。后續(xù)將不斷完善仿真系統(tǒng),提高對復(fù)雜紅外光學(xué)目標(biāo)場景模擬的逼真程度,深入開展應(yīng)用研究,充分發(fā)揮仿真技術(shù)在武器裝備設(shè)計(jì)驗(yàn)證中的重要支撐作用。