馬瀟瀟，李青，陳義軍，劉濤

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

0 引言

電視指令制導(dǎo)導(dǎo)彈屬于防區(qū)外空射巡航導(dǎo)彈，采用人在回路中對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行控制的方式。導(dǎo)彈發(fā)射后操作員根據(jù)電視導(dǎo)引頭傳回的電視圖像，搜索地標(biāo)，控制導(dǎo)彈沿預(yù)定航路飛行，直至最后一個(gè)地標(biāo)點(diǎn)，導(dǎo)彈鎖定目標(biāo)后才能夠通過自動(dòng)或手動(dòng)導(dǎo)引方式飛向目標(biāo)[1-2]。由于整個(gè)使用過程較為復(fù)雜，操作員極易因?yàn)殡娨晥D像不清晰、作戰(zhàn)環(huán)境不熟悉等因素?zé)o法找到地標(biāo)，從而丟失目標(biāo)。

操作員必須通過大量、反復(fù)的訓(xùn)練才能熟練掌握這類武器裝備，充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。武器裝備技術(shù)復(fù)雜,造價(jià)昂貴，在日常訓(xùn)練若全部采用實(shí)裝訓(xùn)練,不僅花費(fèi)巨大,而且受地理?xiàng)l件、法規(guī)等限制(例如不可能在假想敵的空域內(nèi)進(jìn)行對(duì)地攻擊訓(xùn)練),難以滿足作戰(zhàn)訓(xùn)練需求[3-4]。模擬訓(xùn)練是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外解決這一問題主要途徑[5-6]。目前在訓(xùn)練仿真領(lǐng)域已經(jīng)提出許多切實(shí)可行的仿真架構(gòu)和建模方法[7-11]。

SIMBox是SimiGon公司開發(fā)的基于PC環(huán)境的仿真訓(xùn)練軟件平臺(tái)。是目前惟一的集訓(xùn)練系統(tǒng)管理、訓(xùn)練效果追蹤、視景仿真、建模開發(fā)等功能于一體的綜合性訓(xùn)練平臺(tái)。本文采用SIMBox仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)并開發(fā)了電視指令制導(dǎo)導(dǎo)彈仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。

1 攻擊過程分析

電視指令制導(dǎo)導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)，通常采用慣導(dǎo)+捕控指令電視末制導(dǎo)的制導(dǎo)方式。慣導(dǎo)工作階段時(shí)可以采用捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)行控制；在中段、末段制導(dǎo)階段，導(dǎo)引頭中的電視攝像機(jī)攝取導(dǎo)彈前方可見光圖像，經(jīng)過無線傳送后電視圖像在載機(jī)的多功能顯示器(multi-function display，MFD)上，武器操作員通過觀察MFD上的導(dǎo)彈前方地形、目標(biāo)等信息，根據(jù)相應(yīng)的導(dǎo)引律作出正確的判斷，通過操縱傳感器，給飛行中的導(dǎo)彈發(fā)出導(dǎo)引指令；導(dǎo)彈上的接收裝置收到指令后，由導(dǎo)彈上的控制系統(tǒng)根據(jù)指令內(nèi)容調(diào)整導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)。MFD持續(xù)顯示導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的圖像，直到導(dǎo)彈命中目標(biāo)。工作流程如圖1所示。

圖1 電視指令制導(dǎo)導(dǎo)彈工作流程Fig.1 Work flow of TV-command-guided missile

2 導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)模型

導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)可以看作是質(zhì)心移動(dòng)和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。這2種類型的運(yùn)動(dòng)，分別有3個(gè)自由度。質(zhì)心移動(dòng)取決于作用在導(dǎo)彈上的力，繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)則取決于作用在導(dǎo)彈上相對(duì)于質(zhì)心的力矩。以下式中部分符號(hào)定義見文獻(xiàn)[12]。

2.1 作用在導(dǎo)彈上的空氣動(dòng)力和力矩

阻力系數(shù)CX、升力系數(shù)CY、側(cè)力系數(shù)CZ的計(jì)算：

(1)

力矩模型(不考慮導(dǎo)彈的滾轉(zhuǎn)力矩)：

(2)

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)推力與導(dǎo)彈質(zhì)量模型

(3)

式中：P為推力；Pmax為助推發(fā)動(dòng)機(jī)推力；PM(h)為渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力；h為導(dǎo)彈飛行高度;tM為助推發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間。

(4)

式中：m0為導(dǎo)彈原有的總質(zhì)量； mCT為助推發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑質(zhì)量消耗率(秒流量)；mM為拋棄助推發(fā)動(dòng)機(jī)后導(dǎo)彈總質(zhì)量。

2.3 彈體動(dòng)力學(xué)模型

運(yùn)用牛頓第二定律建立的彈體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)模型為

(5)

彈體坐標(biāo)系下繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程(不考慮彈體滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))為

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

(6)

式中：J0為帶有助推發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)彈原始的赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JCT為助推發(fā)動(dòng)機(jī)工作階段J0的減小速率；JM為拋棄用完燃料的助推發(fā)動(dòng)機(jī)后導(dǎo)彈的赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JMCP為渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作階段JM的減小速率。

彈體坐標(biāo)系下質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為

(7)

式中：ε1，ε2，ε3為地球坐標(biāo)系到彈體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣元素；nx1，ny1，nz1為導(dǎo)彈在彈體坐標(biāo)系中的過載。

3 導(dǎo)彈控制指令模型

導(dǎo)彈控制指令模型在武器發(fā)射后，根據(jù)操作員在傳感器上的輸入壓力以及導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)為對(duì)導(dǎo)彈俯仰角和航向角的控制指令。

3.1 導(dǎo)彈導(dǎo)引頭計(jì)算

導(dǎo)彈導(dǎo)引頭包含著電視攝像機(jī)、伺服機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理、圖像跟蹤等功能單元，電視攝像機(jī)可以通過伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行俯仰和航向運(yùn)動(dòng)，不僅可以根據(jù)操作員的控制指令進(jìn)行俯仰和航向運(yùn)動(dòng)而且會(huì)伴隨導(dǎo)彈的航向調(diào)整改變自身的航向角。導(dǎo)彈飛行航向未進(jìn)行控制時(shí)，有

(8)

式中：Yoffset為攝像機(jī)方位角偏移指令；Poffset為攝像機(jī)相對(duì)俯仰角偏移指令；Pint為攝像機(jī)的初始俯仰角；Cx，Cy分別是角度轉(zhuǎn)換系數(shù)；x，y為傳感器壓力數(shù)值。

產(chǎn)生了方位和俯仰角的偏轉(zhuǎn)指令后，伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)指令完成攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

(9)

式中：θy，θp分別為攝像機(jī)t時(shí)間段內(nèi)偏航方向和俯仰方向上轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；Ycur，Pcur分別為攝像機(jī)當(dāng)前時(shí)刻相對(duì)于彈軸的方位角和俯仰角；Cry，Crp，Cy0，Cp0分別為方位角、俯仰角的控制系數(shù)常量。

3.2 控制指令的計(jì)算

攝像機(jī)獲取的電視圖像上有一個(gè)瞄準(zhǔn)標(biāo)記，操作員可用壓力傳感器控制其在電視圖像上運(yùn)動(dòng)，用于為導(dǎo)彈指示目標(biāo)，該標(biāo)記是目標(biāo)視線在攝像機(jī)垂直截面上的投影。通過計(jì)算該標(biāo)記與圖像中心的位置關(guān)系，可以得出對(duì)導(dǎo)彈的俯仰與航向控制指令。

(1) 導(dǎo)彈進(jìn)入末段攻擊階段時(shí)，先進(jìn)行一步初始化工作，將當(dāng)前的攝像機(jī)俯仰角Pcur作為導(dǎo)彈的期望俯仰角，發(fā)送給導(dǎo)彈實(shí)體，導(dǎo)彈實(shí)體將調(diào)整彈體的俯仰角度。

(2) 計(jì)算導(dǎo)彈俯仰偏轉(zhuǎn)指令與航向偏轉(zhuǎn)指令

(10)

式中：YMoff，PMoff分別為dT內(nèi)對(duì)導(dǎo)彈航向、俯仰的控制增量；Pos[X,Y]為根據(jù)電視圖像的分辨率和航向、俯仰控制量得出的圖像上瞄準(zhǔn)標(biāo)記的坐標(biāo)；F為根據(jù)控制量計(jì)算圖像坐標(biāo)的函數(shù)；Ycmd，Pcmd分別為對(duì)導(dǎo)彈航向角和俯仰角指令；Cy1，Cp1分別為操控系數(shù)。

4 仿真實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

仿真系統(tǒng)的核心功能是要在仿真世界中實(shí)現(xiàn)電視指令制導(dǎo)導(dǎo)彈的操作的整個(gè)過程，滿足模擬訓(xùn)練的要求。主要工作包括：構(gòu)建仿真對(duì)象(包括載機(jī)、空地導(dǎo)彈、各類地面目標(biāo)等)、開發(fā)地形庫(kù)以及配置用于人機(jī)交互的傳感器等外圍設(shè)備。

仿真前需要設(shè)定任務(wù)數(shù)據(jù)，包括載機(jī)的起飛位置，目標(biāo)坐標(biāo)，航線等信息。仿真開始后，載機(jī)可自動(dòng)駕駛或人工操縱到達(dá)預(yù)定航路點(diǎn)，完成導(dǎo)彈發(fā)射準(zhǔn)備后，發(fā)射導(dǎo)彈，導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型開始計(jì)算導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)、姿態(tài)、速度等參數(shù)，操作員根據(jù)MFD上的電視圖像通過傳感器對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行操縱，控制指令模型將傳感器上的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)導(dǎo)彈的俯仰角、航向角的控制指令。仿真過程如圖2所示。

圖2 仿真效果Fig.2 Simulation effects

對(duì)比仿真彈道與靶試彈道數(shù)據(jù)(如圖3)，可見仿真彈道具有較高的逼真度，運(yùn)動(dòng)模型與動(dòng)力學(xué)模型體現(xiàn)了該型導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)特性。從傳感器、控制指令、導(dǎo)彈俯仰/航向角的數(shù)據(jù)可以看出(如圖4，5)，控制指令模型可很好實(shí)現(xiàn)仿真中操作員對(duì)導(dǎo)彈的控制，表明模型具有較高的可信度。

圖3 仿真彈道軌跡與靶試彈道軌跡Fig.3 Trajectory of the missile

圖4 導(dǎo)彈俯仰角控制Fig.4 Pitch control of the missile

圖5 導(dǎo)彈航向角控制Fig.5 Yaw control of the missile

5 結(jié)束語

本文建立了電視指令制導(dǎo)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型，控制指令模型，在SIMBox平臺(tái)上建立了仿真并進(jìn)行了實(shí)例分析。該類武器實(shí)裝訓(xùn)練受到安全、經(jīng)費(fèi)等眾多因素的限制，基于SIMBox的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以很好地解決此問題，為該類武器的訓(xùn)練、對(duì)地攻擊的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法研究提供了高效費(fèi)比的仿真環(huán)境。目前，研究成果已應(yīng)用于實(shí)際訓(xùn)練，并具有較好的效果。

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