激光制導武器半實物仿真系統的分析與實現

劉聰，張洋

（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

0 引言

半實物仿真系統是用于彈上部件引入仿真回路，并為其模擬出真實的應用場景的仿真方法，除實物外，以數學模型進行仿真。半實物仿真系統能夠有效解決建模困難的問題，且具備較高的仿真置信度，能夠為技術決策提供豐富可靠數據資源。因此，半實物仿真方法是激光制導武器系統設計與開發中必要的性能評價手段與建造工具，科學應用于系統的設計、研制、評估等各個階段。目前，全球科技與軍事力量都在不斷強化，對于制導武器的開發水平也隨著仿真技術的發展而快速提升，為提升我國武器裝備的仿真實驗技術，必須針對激光制導武器的半實物仿真平臺進行科學研究與戰略開發。

1 制導系統半實物仿真試驗的目的和內容

對激光制導武器進行半實物仿真試驗是為了利用仿真打靶的手段，將對彈的激光制導武器的制導部件與各部系統性能進行考核，保證制導精確度與系統動態性能，為激光武器的性能評判提供數據依據。關于穩定回路，關鍵是對自動駕駛儀中所涉及到的慣性器件與控制電路進行考核，關于舵機回路，關鍵是對其靜態與動態特性對激光制導系統精準度與性能產生的影響進行考核；關于引導回路，關鍵是對導引頭上的探測器進行非線性特征檢測與目標跟蹤特性檢測，以此保證激光制導武器動態性能的質量與精準度的控制。制導武器半實物仿真系統的展開依據是按照由開環至閉環、由部分至整體、由小回路至大回路的標準[1]。激光制導半實物仿真系統試驗內容及步驟如圖1所示。

圖1 激光制導半實物仿真試驗流程

2 激光制導武器半實體仿真系統功能及組成

■2.1 半實物仿真系統功能解析

參照半實物仿真方法的相似性原理，可以確定半實物仿真系統具有以下三點功能。首先，半實物仿真系統能夠對真實彈體的姿態與運動軌跡進行模擬；其次，半實物仿真系統能夠為制導武器提供激光照射環境，計算并模擬出目標物體的運動；最后，半實物仿真系統能夠接收彈上計算機發出的信號指令，實現六自由度彈道的模擬。

在制導武器半實物仿真系統中，實時仿真計算設備（其中包括A/D模塊、D/A模塊以及串口通訊等）能夠見各部分功能的信息進行綜合性處理，并利用控制柜和轉臺平臺將系統內的信息數據進行傳遞交互；彈上部件所承載的三軸轉臺平臺將彈體的形勢姿態與運動軌跡進行模擬；激光制導模擬器將固定在兩軸轉臺之上，負責將用于管控激光光斑的幕布位置；幫助系統計算機監測、模擬、記錄相關的仿真數據。

■2.2 激光制導武器系統的組成

激光制導武器中制導系統的構成包括激光照射裝置、導引頭、舵機、彈體、自動駕駛儀等部件。此類制導武器的主要特征有以下三點。首先，在于激光半主動制導體制的運用以及激光導引與速度追蹤導引律；其次，制導武器中是通過傾斜的三通道自動駕駛儀與燃氣比例舵機來進行控制；最后，激光制導武器的彈道特點表現在零指令方式家末段導引上。控制理論視域下，制導系統是由穩定回路（即小回路）與導引回路（即大回路）共同構成。除去彈體本身的動力學與相對運動學方程外，穩定回路的所有控制裝置都固定于尾部的儀器艙中，控制裝置包括慣性器件、相關電路以及舵機，導引回路包含導引頭與激光照射裝置[2]。

3 激光制導武器半實物仿真系統結構

為了將激光制導武器進行綜合型評估，將制導飛行中半主動彈藥的相關部件進行性能與質量的仿真檢測。把導引頭、角速率陀螺、彈上計算機等設備添加至仿真回路中，規劃出激光制導武器中用于指導和控制的仿真方案，系統模型結構如圖2所示。

圖2 半實物仿真實驗模型結構

半實物仿真模型是建立在模塊化的設計理念上，能夠通過大氣環境參數、彈道初始條件、激光模擬器參數、運動目標相關參數以及風干擾模型參數等，考核不同邊界條件下彈體中系統的性能質量。在半實物仿真試驗模型中，通過數學仿真對以及幾項任務進行計算：六自由度有控彈道動力學及運動學方程式、大氣環境模型、目標運動模型、室內彈目視線模型。在實際的測試流程中，激光光斑通過兩軸轉臺對激光模擬器的作用下，照射到相應的幕布位置中，導引頭在收到激光漫反射所產生的光斑能量后，發出制導指令，并通過彈上的計算機產生角速率陀螺信號，之后將生成的控制指令傳輸至仿真機中，建立完整的彈道方程計算，向三軸轉臺創造彈體的姿態，并參照彈目之間的關系，生成相應的角度指令，模仿出真實的LOS，保證角速率陀螺儀具備真實的姿態與運動軌跡[3]。

■3.1 彈目相對幾何關系

結合仿真布局中的機構組成，創建地面坐標系Oxyz，將導引頭光軸中心設定為原點，幕布是鉛垂平面，且幕布和Ox軸是平行關系。將轉臺回轉中心和幕布之間的距離設為l，則軸轉臺與回轉中心的距離是l32?；诜抡胬碚撝械膸缀蜗嗨圃恚抡嫦到y中的彈目視線方位角、彈道與高低角的視線方位角相互對應?；谑覂拳h境幾何方位可知，由于受到室內尺寸條件的限制，末制導段視線的高低角需控制在-30°—-45°之間，突破俯仰方向的可接受范圍后，光斑則會投落至地面上。使地面坐標系以Oz為中心軸順時針旋轉，共旋轉常值角度，獲取新的坐標系Ox'y'z'，使彈目視線歸落至幕布上。結合彈目之間的位置關系，確定某時刻坐標系為(xr，yrzr)，新坐標表現為：

在新的坐標系Ox'y'z'中，關于視線所處的直線方程解析式如公式1。

進而可以推算出光斑的具體位置坐標：

通過以上方程得出兩軸轉臺關于高低、方位的指令：

■3.2 激光入瞳光學特性解析

當導引頭處于飛行狀態時，其捕獲激光功率的密度會根據彈目距離的縮小而擴大，且光斑也會逐漸變大。因此，激光制導武器的中的模擬器應具備光斑與能量可調的功能，實現最大功率的有效照射，為導引頭的飛行模擬逼真的照射條件與環境。基于大氣光學基礎理論知識，可以將導引頭收到的功率（sP）與模擬器發出的激光功率（PL）這二者之間的關系表現為公式2：

公式中，Dr代表導引頭接收面積；?代表散射面積與光斑面積的比值；ρ代表反射率；LMT代表彈目實際距離；Ta代表大氣透過率?？紤]到光斑的大小會根據彈目距離的遠近而產生變化，因此，將標準尺寸設定為CT×CT，因此，光斑大小rspot的計算方式如公式3所示。

據此可知，Ps、rspot和彈目距離LMT都是反比關系。在仿真試驗中，模型應結合彈目距離的變化而實時調整模擬器的能量與光斑大小。

4 激光制導武器半實物彈道仿真試驗

將末制導段的彈目最大值設定為3500m，初始化彈目視線角設定為-30°。在兩種初始彈道條件下，對激光制導武器進行半實物仿真試驗，試驗統計數值如表1所示。

表1 多次試驗統計得出數值

根據試驗統計數據得出，此激光制導系統的脫靶量能夠小于0.8m，保證了對2m×2m面積目標的精準打擊，此數據與實際飛行統計數據較為一致，可以確定數據的準確性與有效性。此外，脫靶量樣本存在的標準差較小，達成驗證標準，且半實物仿真系統可信度高、重復性良好。

5 結語

綜上所述，基于實際的任務與功能需求，在激光制導武器半實物仿真平臺中明確了相應的半實物仿真系統模型；通過室內彈目幾何關系與導引頭的入瞳光學特性對激光照射環境研究，提升了半實物仿真環境的真實性。利用半實物仿真試驗，明確激光制導武器實行打擊的有效指令，提高制導與控制系統的精準度，保證半實物仿真系統的可信性與重復性。