王 霞， 宋曉玲， 李友年

(1.中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009;2.洛陽理工學院，河南洛陽 471023)

0 引言

虛擬樣機技術(Virtual Prototype，VP)是以相似原理、控制理論及其相關的專業(yè)技術為基礎，結合成熟的計算機技術形成的一種數(shù)字化設計方法［1］。利用虛擬樣機技術可以在功能和行為等方面對真實系統(tǒng)進行模擬，并可在虛擬樣機環(huán)境下進行系統(tǒng)優(yōu)化設計與評估工作，從而縮短產品的研制周期，降低研制成本，提高產品的競爭力［2］。

隨著仿真技術的發(fā)展，虛擬樣機技術在國內外有著廣泛的研究與應用，如采用虛擬樣機技術進行月球機器人運動仿真、飛行器分布仿真、導彈系統(tǒng)仿真等［3］。

采用虛擬樣機技術，建立了導彈制導控制系統(tǒng)仿真平臺，系統(tǒng)驗模后，在該平臺上進行系統(tǒng)性能仿真評估與優(yōu)化設計，為導彈研制各個階段的發(fā)射試驗提供了有力的支持。

1 制導控制系統(tǒng)虛擬樣機的總體設計

從設計開發(fā)與仿真運行兩個方面，對導彈制導控制系統(tǒng)虛擬樣機進行總體設計。如圖1所示，設計要素包括［4］:仿真平臺軟件框架、仿真模型庫系統(tǒng)，仿真數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、可視化子系統(tǒng)、硬件平臺及顯示設備等。其中，仿真平臺軟件框架是構成空空導彈制導控制系統(tǒng)虛擬樣機的關鍵部分，用于虛擬樣機的建模和仿真;仿真模型庫包括外部環(huán)境模型以及用戶自定義的單元模型;仿真數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)存儲和管理服務。

圖1 制導控制系統(tǒng)虛擬樣機總體設計示意圖Fig.1 Virtual prototype model framework of guidance and control system

導彈制導系統(tǒng)虛擬樣機開發(fā)步驟:首先通過開發(fā)環(huán)境建立單元模型、用戶自定義模型并入庫，盡可能復用仿真模型庫中的單元模型;其次通過仿真平臺軟件框架，調用仿真模型庫中的單元模型，建立導彈制導控制系統(tǒng)的虛擬樣機模型;通過仿真試驗對虛擬樣機模型進行驗證;驗模完成后，利用虛擬樣機對導彈制導控制系統(tǒng)進行設計、仿真與評估，及時修改設計中的問題，對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，確保系統(tǒng)性能滿足設計要求。

2 系統(tǒng)建模與集成

2.1 虛擬樣機導彈的建模原則

在制導控制系統(tǒng)虛擬樣機建模初期，遵循充分借鑒已有的設計經驗、同時又便于系統(tǒng)的優(yōu)化設計的原則，對系統(tǒng)模型進行模塊化、層次化和通用化設計。在設計過程中，系統(tǒng)建模應遵循以下原則［5－6］:

1)模塊化設計，即按照導彈的物理結構進行建模，模塊的物理意義清楚，輸入、輸出變量明確，利于模型的理解、建模、優(yōu)化設計，同時也便于模型的校核和系統(tǒng)的集成，模塊應具有相對獨立性，盡量減少模塊之間的鉸鏈信號;

2)層次化設計，即對系統(tǒng)模型進行分層，每一層模型可以通過下層基本模型構建，整個模型成樹型結構;

3)通用化設計，將具有共性的部分建成通用化模塊，以方便其重復使用，各個模塊的輸入輸出接口關系采用通用、標準化的形式，使模塊可以方便地更換，便于系統(tǒng)的擴展。

2.2 虛擬樣機的建模

導彈制導控制系統(tǒng)是一個復雜的多回路控制系統(tǒng)，它包括導引回路、飛行控制回路等主要分系統(tǒng)［7］。制導系統(tǒng)功能圖如圖2所示。

圖2 制導系統(tǒng)功能圖Fig.2 Guidance system function diagram

根據(jù)虛擬樣機建模原則及制導系統(tǒng)的功能，將虛擬樣機劃分為制導控制模型(feikong)、彈體模型、相對運動模型(rel)、傳感器模型、邏輯時序控制模型以及初始化模型和結束模型，整個模型呈樹形結構，如圖3所示。

圖3 導彈制導控制系統(tǒng)虛擬樣機模型結構圖Fig.3 Virtual prototype model framework of guidance and control system

制導控制模型分為控制模型和制導模型。目前，制導模型只有紅外成像導引頭模型，其功能為根據(jù)來自目標的能力自動截獲跟蹤目標，并給控制模型提供制導律所需的視線角速度、導彈－目標相對運動信息等。

在實戰(zhàn)過程中，導彈攻擊目標時一般都存在抗干擾問題。在一般的數(shù)字仿真環(huán)境中，由于沒有圖像模型、詳細的干擾運動模型及抗干擾算法，難以高逼真度地仿真對抗干擾過程。在虛擬樣機制導模型中，引入了紅外成像圖像模型、詳細的干擾彈模型及抗干擾算法，可以仿真并實時顯示導彈抗干擾的全過程。

控制模型分為濾波算法、控制算法(制導律)、穩(wěn)定算法及舵機等模型，其中穩(wěn)定算法模型和舵機模型又稱為自動駕駛儀?？刂葡到y(tǒng)的作用是接收導引頭輸出的信息，進行濾波，采用合適的導引律，實現(xiàn)對目標的自動跟蹤［8］。同時保證導彈飛行姿態(tài)的穩(wěn)定，輸出舵偏角。

為保證在大攻角、大過載、強耦合飛行條件下，導彈能夠獲得良好的動態(tài)品質和穩(wěn)定性，在控制系統(tǒng)設計中采用傾斜轉彎技術、變結構控制及直接力/推力矢量復合控制等方法，對導彈俯仰、偏航及橫滾等3個通道進行設計。

為了實現(xiàn)大離軸發(fā)射及對大機動目標的精確打擊，采用具有最優(yōu)濾波性能的擴展卡爾曼濾波算法，對彈目相對運動信息進行濾波，在增廣比例導引律的基礎上，在紅外空空導彈中引入彈目相對運動速度、加速度等信息，形成適用于大離軸發(fā)射、大機動目標的制導律。

彈體模型分為彈體動力學和彈體運動學模型。其中，彈體動力學模型根據(jù)舵偏角及攻角等信息，按照氣動吹風數(shù)據(jù)，插值計算出導彈當前所需的氣動力和力矩。將結果傳遞給彈體運動學模型。彈體運動學模型實時解算導彈六自由度飛行參數(shù)。

根據(jù)彈體模型輸出的信息，通過導彈－目標的相對運動，將導彈－目標視線角及相對運動信息反饋給導引頭，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

邏輯時序控制模型通過生成與工作時序相關的標志、變量，實現(xiàn)對不同模型的合理調度。

所有模型存入虛擬樣機的模型庫。在導彈研制的不同階段，針對不同的模型進行設計與驗模，隨導彈研制的深入而不斷深化和細化［9］。在進行新型導彈的研制時，對通用模型可以直接調用，對個別要修改參數(shù)的模型可以直接修改，幾大模型經過簡單的修改可以集成不同導彈的設計方案。

2.3 系統(tǒng)集成

導彈研制一般分為論證階段、方案階段、工程研制階段、設計定型階段和生產定型階段。其中，方案階段即展開原理樣機的研制。在導彈研制的不同階段，先后實現(xiàn)了程控彈、制導彈制導控制系統(tǒng)虛擬樣機。集成后的虛擬樣機如圖4所示，具有如下特點:

1)具備較為完善的仿真調試功能;

2)具備完善的分層建模功能，且各層模型可設置不同的仿真步長;

3)同半實物仿真相比，虛擬樣機中引入全局變量，通過設置不同的初始仿真條件，可以進行多條件仿真，一次能夠連續(xù)對幾百組彈道進行批量仿真，大大提高了仿真效率;

4)同一般的數(shù)字仿真相比，虛擬樣機平臺引入紅外成像的圖像模型及抗干擾算法，能夠以圖像方式，實時顯示導彈－目標攻擊的全過程;

5)針對虛擬樣機輸出的數(shù)據(jù)格式，開發(fā)專用的仿真數(shù)據(jù)批處理畫圖軟件，如圖5所示，該軟件具有放大、縮小、取點等功能，能夠同時輸出一條或者多條曲線，便于對仿真結果進行分析。

圖4 制導控制系統(tǒng)虛擬樣機Fig.4 Virtual prototype for guidance and control system

圖5 數(shù)據(jù)批處理軟件界面Fig.5 Interface of data batch management software

在確保模型正確的基礎上，利用該虛擬樣機開展了以下工作:

1)制導控制系統(tǒng)全空域穩(wěn)定性分析;

2)外場靶試條件預測仿真研究及靶試后復現(xiàn)研究和數(shù)據(jù)分析;

3)確定制導控制系統(tǒng)攻擊區(qū);

4)制導控制系統(tǒng)的制導精度評估;

5)開展濾波算法、導引律的研究;

6)根據(jù)靶試結果，對制導控制系統(tǒng)虛擬樣機進行優(yōu)化設計;

7)對抗干擾算法進行評估和優(yōu)化。

2.4 仿真結果

針對某抗干擾靶試條件，在空空導彈制導控制系統(tǒng)虛擬樣機環(huán)境下進行六自由度仿真，仿真條件為:導彈低空上射，目標具有機動逃逸的典型條件，具體攔截條件為:導彈初始發(fā)射高度3 km，發(fā)射Ma=0.8，斜距4 km;目標初始高度6.5 km;目標機動4g;目標高低角60°，方位角 60°，目標 Ma=0.74，目標在 X、Z 兩個方向進行機動。導彈發(fā)射后7.12 s命中目標，此時脫靶量為0.35 m，導彈末速為688 m/s，仿真可在幾秒內完成。仿真結果如圖6～圖9所示。

圖6 水平面導彈目標相對運動曲線Fig.6 Missile-target relative moving curve in horizontal plane

圖7 垂直平面導彈目標相對運動曲線Fig.7 Missile-target relative moving curve in vertical plane

圖8 脫靶量Fig.8 Miss distance

圖9 導彈速度曲線Fig.9 Velocity curve of missile

同時進行半實物仿真試驗，對該條彈道進行一次仿真通常需要30～60 s左右的時間。根據(jù)干擾彈投放模式不同，分兩組進行試驗，每組試驗重復10次，結果為:遇靶時間平均7.11 s，脫靶量分布為0.3 ～2.52 m，末速平均為688 m/s。針對該條件的空中靶試試驗，導彈直接命中靶標。

3 系統(tǒng)驗模

虛擬樣機要求能比較真實地模擬實際的產品或過程，如果模型不能準確真實地代表實際的系統(tǒng)，那么利用它產生的結果也就根本不可信。因此，模型驗證是虛擬樣機中非常重要的環(huán)節(jié)。主要從兩個層次進行驗模。

1)模型驗證。通過對制導控制系統(tǒng)各個子模型的輸入、輸出數(shù)據(jù)比較來驗證模型的正確性，確定各子系統(tǒng)模型能否代表真實的系統(tǒng)，如果每個子系統(tǒng)與真實部分的誤差很小，精度足夠高，則認為虛擬樣機是正確的。

2)仿真結果驗證。利用所生成的虛擬樣機，開展制導控制系統(tǒng)仿真。根據(jù)仿真結果評估虛擬樣機是否有足夠的精度。

理論上，要通過大量外場試驗以獲取大量的試驗數(shù)據(jù)作為虛擬樣機評估及校驗的標準，為了簡化驗證過程，采用半實物仿真的結果作為參考，針對影響系統(tǒng)性能的重要參數(shù)，與虛擬樣機的數(shù)據(jù)進行比較。如果虛擬樣機仿真數(shù)據(jù)和半實物仿真數(shù)據(jù)基本一致，則說明虛擬樣機建模正確，仿真結果可靠。

同時，在進行靶試試驗后，將靶試條件代入虛擬樣機環(huán)境進行仿真，將靶試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行比較，對虛擬樣機進行校核與優(yōu)化設計。

圖10給出某次制導彈發(fā)射試驗數(shù)據(jù)與虛擬樣機仿真數(shù)據(jù)的速度對比曲線，二者基本一致，表明虛擬樣機建模正確。

圖10 速度曲線對比Fig.10 Contrast of velocity curve

4 結束語

研究實現(xiàn)了空空導彈制導控制系統(tǒng)的虛擬樣機，利用該虛擬樣機進行了制導控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計及性能評估工作，縮短了產品的研制周期，設計質量和效率得到極大的提高。今后將在抗干擾模型優(yōu)化設計及性能評估、高擬真度虛擬樣機的建模及模型校驗技術等方面開展工作。

［1］易華，謝希權.機載多目標攻擊武器系統(tǒng)虛擬樣機研究［J］.電光與控制，2001(4):39-43.

［2］劉海軍.高度導彈末制導虛擬樣機系統(tǒng)設計、建模及校驗［J］.現(xiàn)代防御技術，2004，32(12):33-37.

［3］萬曉峰，劉更，楊樹森.航炮系統(tǒng)的虛擬樣機仿真與分析［J］.系統(tǒng)仿真學報，2005，17(10):2392-2394.

［4］劉剛，王行仁，賈榮珍.飛機動力學虛擬樣機技術［J］.航空學報，2005，26(5):550-555.

［5］周振浩，張淑麗.虛擬樣機導彈系統(tǒng)的建模方法和模型確認［J］.計算機仿真，2004，21(10):18-20.

［6］黃志理，鄭志偉，趙華超，等.空空導彈虛擬樣機建模初探［J］.彈箭與制導學報，2008，28(1):7-10.

［7］梁曉庚，王伯榮，余志峰，等.空空導彈制導控制系統(tǒng)設計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［8］陳濤，張文翰，郭立民，等.基于Simulink和HLA的導彈制導控制系統(tǒng)仿真［J］.彈箭與制導學報，2010，30(5):13-16.

［9］宋龍，張文山，靳凌.空空導彈飛控軟件研制中的虛擬樣機應用［J］.計算機仿真，2005，22(5):19-24.