面向雷達數字化設計與仿真的仿真轉臺建模研究

盧 冀 陳晧暉 李萬玉

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.中國人民解放軍32382部隊 北京 100071;3.西安市射頻綜合仿真重點實驗室 西安 710100)

0 引言

數字化設計與仿真采用建模與仿真(M&S, Model and Simulation)技術,構建物理環境與實物的信息橋梁,用于實物研制的正向牽引、設計優化和驗證評估,目前已被喻為設備研制的“孿生”技術,雷達數字化設計與仿真是建模與仿真與各種新的數字技術相結合提高雷達設計、調試、仿真、評估等研制與使用水平與效率的手段之一[1],與傳統重資產型的雷達半實物仿真系統相比,前者因其采用數字化方式構建雷達、雷達環境[2-4]等模型,因成本、效率、靈活性等因素更適合于各種應用場景下的雷達性能評估。

目前,雷達半實物仿真系統廣泛應用,并在雷達實裝性能和功能測試與驗證中扮演重要角色[5-7],積累了大量且寶貴的仿真數據和評估結果,因此在數字領域實現雷達半實物仿真系統的數學模型并進行仿真,通過對比可以更加全面的對雷達功能和性能進行測試和評估,并能提高雷達設計優化能力,為此,仿真轉臺的數字化建模是實現半實物仿真數字化需要首先考慮和解決的技術問題之一。

本文面向雷達數字化設計與仿真技術領域,針對半實物仿真中仿真轉臺的數字化,給出一種面向雷達數字化設計與仿真的仿真轉臺建模方法,并從仿真轉臺的五種典型運動模式,描述了仿真轉臺的建模方法,為雷達數字化設計與仿真領域半實物仿真數字化的研究和持續發展起到拋磚引玉的作用。

1 仿真轉臺模型設計

導引雷達半實物仿真系統中仿真轉臺通常采用三軸轉臺,提供俯仰、方位和橫滾等姿態信息,在雷達半實物仿真中,仿真轉臺通過三軸的位置運動仿真雷達姿態,以及通過轉臺有規律的步進及轉動運動仿真雷達運動裝置的反饋性能,并且能夠通過控制學方法仿真彈道的姿態信息,因此,仿真轉臺數學模型設計三軸的位置、步進、搖擺、轉速和動力學運動,模擬轉臺的位置、步進、搖擺、轉速和動力學運動,以滿足多種仿真所需的俯仰、方位和橫滾角度數據。值得一提的是,仿真轉臺數字化模型相比實物系統,因采用模擬方式,不受機械誤差、運動能力、角度約束等影響,效率和精確性更佳,易于仿真結果數據分析。設計的仿真轉臺數字化模型的功能及參數描述見表1所列。

表1 五種運動模式的參數說明

2 仿真轉臺建模原理

2.1 位置運動

(1)

2.2 步進運動

(2)

其中:t是仿真時間間隔,δx和ωx表示方位、俯仰或橫滾軸每次步進的角度和角速度。

2.3 搖擺運動

(3)

其中:t是仿真時間間隔;Cx、Ax和ωx分別表示搖擺運動中方位、俯仰或橫滾軸的擺動周期、擺動幅度和擺動角速度。

2.4 轉速運動

(4)

其中:Ex表示方位、俯仰或橫滾軸總轉動角度;ωx表示方位、俯仰或橫滾軸轉動角速度。

2.5 動力學運動

位置運動可根據運動姿態結果來計算變化過程中不同時刻的姿態信息,動力學運動的第n時刻的力矩Mn可以描述為

(5)

(6)

(7)

(8)

3 編程與實現結果

仿真轉臺數字化模型在Matlab軟件中采用Simulink實現,便于形成層次化的數字模型的頂層架構和模塊功能。仿真轉臺數字化模型的頂層設計文件,根據控制參數分別實現五種運動模式的控制,并根據運動模式的選擇,輸出轉臺的方位、俯仰和橫滾的角度數據。仿真轉臺數字化模型頂層描述見圖1所示。

在數字化頂層描述中,分別實現了第2小節中描述的位置運動、搖擺運動、步進運動、轉速運動和動力學運動功能,每一種運動模式采用表一所列參數和上述計算原理,再根據具體的方位、俯仰或橫滾軸幅度限制和坐標軸零位,確定幅度變化范圍和正負取值,從而計算獲得方位、俯仰及橫滾角度信息。圖2至圖6分別顯示了位置運動、搖擺運動、步進運動、轉速運動和動力學運動數字模型的頂層描述、參數設置和仿真結果,在仿真中從Scope圖中也驗證了仿真轉臺數字模型及計算原理的有效性和模型的可用性。

圖2 位置運動功能驗證

圖3 步進運動功能驗證

圖4 搖擺運動功能驗證

圖6 動力學運動功能驗證

4 結束語

針對雷達半實物仿真系統的數字化設計與實現問題,從仿真轉臺的數字化建模與實現入手,提出了一種面向雷達數字化設計與仿真的仿真轉臺建模方法,設計了仿真轉臺典型的位置、步進、搖擺、轉速和動力學等五種運動模式的建模方式和計算原理,并給出了仿真轉臺數字化建模方法和具體的實現方式。最后通過實驗結果驗證了仿真轉臺數字化建模方法的有效性。