一種無人機目標打擊半實物仿真實驗方法

李媛媛，馬云飛，劉晨，趙鑫宇

本文提出一種方便快捷的半實物仿真方法，用于驗證察打一體無人機的目標打擊性能。該方法將無人機導引頭引入半實物仿真網絡，采用計算機模擬方法，生成目標區域的三維場景影像，實現目標打擊的半實物仿真。本文對導引頭視場區域的可視范圍進行計算，設計一種半實物仿真實驗方法，并完成半實物仿真實驗，證明該方法的可行性。

隨著無人機技術的快速發展，無人機的應用越來越廣泛。察打一體無人機具備目標偵察、識別、鎖定和打擊功能，可同時執行偵察和打擊任務，其作戰運用越來越受軍方的重視。

半實物仿真實驗是驗證無人機系統功能的重要手段。傳統導彈打擊目標的半實物實驗基于五軸轉臺，內三軸轉臺模擬導彈運動，外兩軸轉臺模擬目標運動。導彈、導彈慣性部件以及導引頭放置于內三軸轉臺，專用目標模擬器放置于外兩軸轉臺。半實物仿真實驗須要專業仿真實驗室及其配套基礎設施，專業性強，實驗效果好，但是基礎設施建設須要較大的資金投入，不適合無人機目標打擊實驗。

本文提出一種基于三軸轉臺的實驗方法，對配置可見光導引頭的無人機開展目標打擊仿真實驗。在實驗過程中，將無人機置于三軸轉臺上，用計算機模擬導引頭的視場和目標，導引頭通過高速串口采集計算機模擬的影像，飛控器導引無人機飛向目標，轉臺旋轉模擬無人機運動，配合飛控器解算得到的舵量，完成無人機目標打擊實驗。

目標打擊仿真實驗的基本原理

相對運動原理

假設在某一時刻，打擊目標位于T點，無人機位于M點。選取水平面為基準面，建立坐標系，X、Y軸組成水平面，Z軸垂直于水平面，如圖1所示。

圖1 相對運動坐標系。

其中，連線MT稱為視線，q為視線與水平面的夾角，p為視線在水平面上的投影與X軸的夾角，V為無人機速度矢量，α為彈道傾角，β為彈道偏角。則比例導引律為：

無人機三維圖形仿真技術

計算機圖形繪制技術利用計算機圖形技術模擬真實場景，可用于無人機仿真實驗。本文研究的無人機目標打擊仿真屬于無人機仿真實驗中的一種，使用計算機圖形繪制技術描繪真實地形地貌以及無人機的飛行環境。該技術分為三維地理信息系統（GIS）場景、目標造型、取景變換和光柵化、可見性計算、可見點處的光亮度計算等模塊。其中，目標造型、亮度計算、可見性計算等模塊涉及計算機圖形學技術，在計算機圖形學等領域應用較廣泛，技術基礎成熟。而涉及三維地理信息系統和無人機飛行過程的聯合場景仿真模擬，須要我們重點關注。

在計算機創建的三維場景中，物體的造型總是在某個坐標系中生成。我們稱場景中物體造型所取的坐標系為場景坐標系，場景坐標系包括場景局部坐標系和場景世界坐標系。在造型和場景設計過程中，在物體上或物體附近建立一個局部坐標系，可給物體的表示和運動描述帶來諸多方便和靈活性，而利用世界坐標系和局部坐標系之間的轉換，可完成物體運動的模擬計算。

無人機飛行運動也涉及多個坐標系及其轉換，主要有固連在地球上、相對大地不動的地面參考坐標系；和固連在無人機重心上、相對無人機不動的機體坐標系，將無人機運動狀態量的解算分解到上述兩個坐標系中，可滿足絕大多數飛行狀態的計算需求。

模擬無人機在計算機三維場景中的運動，可將計算機場景中的坐標系和無人機飛行動力學中的坐標系結合起來。把與地球相關的地面參考坐標系，作為場景的世界坐標系，其原點為場景中的原點；把無人機機體的坐標系，作為無人機模型的局部坐標系，其原點設于無人機的重心處。則無人機的實際三維運動和計算機場景的三維運動數據重合，以及將經緯度、高度等GIS數據解算到地面參考坐標系中，可在計算機三維場景中對無人機進行仿真模擬和計算。

相對目標計算

將運動學坐標系和三維場景坐標系固連，可得到無人機在三維場景中的位置。但本文須要的是從導引頭視角看到的場景，依據上節所述的無人機三維仿真原理，添加導引頭坐標系，以及導引頭三維模型的局部坐標系，并計算導引頭局部坐標系下包含虛擬目標的三維世界場景，即可得到基于導引頭視角的場景。

導引頭瞄準顯示場景中的虛擬目標外觀的三維模型，虛擬目標和場景隨著無人機的相對運動而變換，虛擬目標和場景的位置、區域和尺度的相關仿真計算，決定導引頭目標捕捉特性的真實性，決定視線角速率能否真正模擬彈目相對運動的變化。

為簡化計算，將虛擬目標設為質點，沒有尺度和旋轉特性，而真實目標的尺度和旋轉特性作為場景的一部分，跟隨場景的變換而變換。這樣的話，虛擬三維場景在地面上的投影，可以簡化為以目標點為中心，以導引頭框架角視場范圍為邊界的一個橢圓形圖形，進一步以一個外包矩形將橢圓形全部覆蓋，則該矩形區域如圖2所示。

在圖2中，XYZ坐標系為參考坐標系，X、Y軸組成的平面為水平面，M點為無人機坐標點，T為目標，為視線，M' 為無人機在地面上的投影，MM ' 為無人機飛行高度，θ為視線與垂線MM'的夾角，Ω為導引頭縱向框架角范圍的半角，η為導引頭橫向框架角范圍的半角，矩形ADCB為導引頭視場投影范圍，則w和h1、h2代表該矩形的寬和長，即為所要計算的值。其中，線段MM 、線段MT已知，∠θ、∠ Ω、∠η已知。

圖2 導引頭可視區域在大地的投影。

為方便計算，在導引頭視點處建立導引頭坐標系，如圖3所示。

圖3 導引頭坐標系的可視區域。

導引頭坐標系X'Y'Z'依據參考坐標系建立，Z'軸沿視線方向，則目標點T的坐標為（0，0，MT），經簡單三角函數計算可得，B2點的坐標為MT），A1點的坐標為A2點的坐標為于是可得A、B、C、D四點在導引頭坐標系下的坐標為：

設導引頭當前縱向框架角為EB，橫向框架角為EH，則導引頭坐標系到機體坐標系的方向余弦矩陣為：

以點A為例，點A在導引頭坐標系的坐標矢量為在參考坐標系的坐標矢量為則有

由于點A在導引頭坐標系的坐標已知，即已知，則SA可求解。

同樣，點B、C、D在參考系的坐標可求解。即矩形ADCB的各個坐標已知，可計算出導引頭的視場。

半實物仿真實驗

仿真實驗設計

無人機目標打擊半實物仿真實驗方法是根據虛擬目標的經緯度，將目標放置在場景中。當無人機搜索目標區域時，若目標進入導引頭視場，則在三維場景中可見目標，導引頭即刻鎖定目標，在場景中，目標位置在圖像上的投影點，距離導引頭視場中心的差距，即可形成導引頭脫靶量，導引律開始工作，控制無人機飛向目標，目標位置和導引頭視場中心逐漸重合，即無人機已經對準目標。

為驗證所設計方法的正確性，本文設計半實物仿真實驗，將導引頭、場景仿真計算機接入仿真網絡，仿真實驗結構組成詳見圖4。

圖4 半實物仿真實驗結構圖。

其中，目標生成計算機負責計算場景的位置、范圍等信息，并通過網絡將其輸出到圖形計算機，圖形計算機根據這些信息生成目標區域的場景圖像，導引頭掃描生成的該場景圖像并鎖定目標，由此產生導引信息，經飛控計算機計算，產生控制舵量，驅動半實物仿真計算機模擬計算無人機的運動，而無人機的運動數據驅動目標生成計算機生成導引頭視場范圍，再經過圖形計算機解算地理信息系統和目標造型等計算機圖形信息，進而完成目標打擊的半實物仿真實驗。

半實物仿真實驗

圖6 導引頭連接圖。

設定無人機初始位置為X0（34.9431735，113.246956，300），如圖5所示藍色實點，無人機沿矩形航線飛行，航線點如圖5所示紅色實點，坐標為（34.9598752，113.24128，1000），（34.9403808，113.1978368，1000），（34.927536，113.2034944，1000），（34.9476192，113.246272，1000）。為方便導引頭檢索目標，目標如圖5所示黑色三角點，位置設在航線延長線上，坐標為（34.9550005，113.2588795，85.62）。其中，目標的高度為當地海拔高度，確保目標位于地面之上。

圖5 無人機飛行航跡示意圖。

仿真開始時刻，無人機由起始點向最近航點飛行，進入航線后沿航線爬升至1000m高度，搜索并鎖定目標，直至命中目標。無人機飛行航跡如圖5所示的藍色實線。

將導引頭接入半實物仿真網絡，導引頭連接目標場景計算機，接收圖像，計算導引律，并將導引信息輸出并傳給飛控計算機。

在圖7中，假設目標為小型雷達站，無人機搜索并發現目標，操控人員操作導引頭鎖定目標。導引頭回傳的圖像詳見圖7。

圖7 導引頭鎖定目標。

一旦鎖定目標，導引頭引導無人機攻擊目標。期間，導引頭光軸和無人機機體軸逐漸重合，導引頭框架角逐漸歸零，這時無人機已對準目標，如圖8所示。無人機接近目標直至完成目標打擊（見圖9，圖10）。至此，無人機目標打擊半實物仿真實驗全部完成。

圖8 無人機對準目標。

圖9 無人機抵近目標時導引頭回傳圖像。

圖10 無人機打擊目標三維視景圖。

結論

本文提出的半實物仿真實驗方法，是將導引頭接入半實物仿真網絡，并未采用五軸轉臺實驗方法。實驗結果表明，該方法可方便快捷地實現目標打擊仿真實驗，以較低的成本實現了導引頭及整個無人機系統功能的驗證。

但是，在整個仿真流程中，導引頭不采集真實圖像，無法體現光照、反射等真實環境。下一步，相關技術人員將改進實驗方案，進一步提升仿真實驗的效果。