王　瓊,周軍偉,劉　斌,王宏波,莊志洪

(中國空空導彈研究院,河南洛陽　471009)

一體化引信引戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件設(shè)計*

王瓊,周軍偉,劉斌,王宏波,莊志洪

(中國空空導彈研究院,河南洛陽471009)

摘要:根據(jù)一體化引信設(shè)計過程中對起爆控制算法和引戰(zhàn)系統(tǒng)性能進行分析和評估的需求,設(shè)計開發(fā)了一體化引信引戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件。該軟件由參數(shù)輸入、主程序、數(shù)據(jù)接口、引戰(zhàn)配合性能分析和信息存儲5個模塊組成,介紹了軟件各組成模塊的功能和關(guān)鍵技術(shù)。該軟件可對多種目標的彈目交會及引戰(zhàn)配合過程進行可視化仿真和數(shù)字仿真,實現(xiàn)了起爆控制算法的引戰(zhàn)配合效率評估,驗證了起爆控制模型的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞:一體化引信;引戰(zhàn)系統(tǒng);數(shù)字仿真

0引言

隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展,來襲的空中目標以多種類、大范圍、高速度、強機動等方式出現(xiàn),使得彈目交會情況變得越來越復雜。為了實現(xiàn)全方位交會條件下的最佳起爆控制,基于引信、目標信息和制導信息利用的GIF(guidance integrated fuzing)技術(shù)應運而生,并日益受到人們的廣泛關(guān)注,成為先進制導武器引信技術(shù)的一個重要發(fā)展方向[1-2]。

一體化引信功能的升級和拓展使得引信的起爆控制算法和工作模式變得越來越復雜,一體化引信引戰(zhàn)性能評估成為一體化引信研究和應用過程中的一個重要課題。在常規(guī)導彈引信引戰(zhàn)性能評估方面,美陸軍導彈司令部研究/發(fā)展和工程中心建立了一套基于UNIX環(huán)境的半經(jīng)驗化的防空導彈殺傷能力終端仿真軟件(RLEGS),RLEGS可對多種交會條件下的導彈引戰(zhàn)性能進行評估和驗證。相對于常規(guī)導彈引信,一體化引信性能的評估和驗證將更為困難,國內(nèi)外在此方面的研究還未見相關(guān)報道。文中通過構(gòu)建開放式的一體化引信引戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件,實現(xiàn)對一體化引信系統(tǒng)起爆控制算法和引戰(zhàn)系統(tǒng)性能的分析和評估[3-4]。

1仿真軟件的設(shè)計思想

一體化引信引戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件用于模擬制導和引信信息,完成雷達制導GIF引信系統(tǒng)和紅外成象制導GIF引信系統(tǒng)的性能驗證、引戰(zhàn)系統(tǒng)方案評估和炸點控制算法設(shè)計與分析,實現(xiàn)彈目交會、一體化引信工作過程和引戰(zhàn)配合過程的可視化。仿真結(jié)果以文本、圖形、三維場景、圖象序列等方式進行存儲,并用交會信息數(shù)據(jù)庫對仿真結(jié)果進行統(tǒng)計和管理。

在軟件系統(tǒng)中,對彈目交會過程和引戰(zhàn)配合過程進行準確描述是引戰(zhàn)配合效能計算和一體化引信性能分析驗證的基礎(chǔ)。彈目交會過程由相對速度矢量和脫靶參數(shù)確定,也可通過讀取一體化引信樣機的交會數(shù)據(jù)文件確定,交會數(shù)據(jù)文件中包含交會條件、導引頭或引信的采樣參數(shù)、測量信息等,軟件中對此兩種情況提供支持。在純軟件仿真時,模擬并輸出制導信息和引信信息。根據(jù)模擬的制導、引信信息或樣機的測量信息,用戶可基于軟件提供的炸點控制模型接口設(shè)計相應的炸點控制模型,對炸點控制算法或一體化引信性能進行分析。

對引戰(zhàn)配合過程的描述需建立目標三維實體模型、面元模型、引信探測作用模型和戰(zhàn)斗部殺傷元的飛散模型。軟件中按照用戶選擇確定相應的彈、目、引信、戰(zhàn)斗部模型組合,并根據(jù)彈目交會參數(shù)和彈目姿態(tài)參數(shù)限定的條件,完成所需的彈目交會和引戰(zhàn)配合過程可視化仿真。

模擬生成的制導信息、引信信息和交會數(shù)據(jù)存儲于不同的數(shù)據(jù)文件中,一體化引信樣機的交會數(shù)據(jù)及測量信息也以數(shù)據(jù)文件形式存儲并可與軟件平臺一起完成引戰(zhàn)配合可視化仿真。在交會條件和炸點參數(shù)相同的情況下,可對純軟件仿真和半實物仿真的一致性進行驗證。在軟件平臺和一體化引信樣機協(xié)調(diào)一致的前提下,可利用軟件平臺對一體化引信樣機的炸點控制算法進行分析或基于一體化引信樣機的實測數(shù)據(jù)進行炸點控制算法設(shè)計。

2仿真軟件的設(shè)計

2.1　功能模塊設(shè)計

數(shù)字仿真軟件分參數(shù)輸入、主程序、數(shù)據(jù)接口、引戰(zhàn)配合性能分析和信息存儲5個模塊進行綜合設(shè)計,如圖1所示。

圖1　軟件功能模塊

圖中各模塊的功能如下:

1)參數(shù)輸入模塊。導彈參數(shù)、目標參數(shù)、戰(zhàn)斗部參數(shù)、交會參數(shù)、炸點控制模型、仿真控制參數(shù)及其它相關(guān)參數(shù)都通過參數(shù)輸入模塊可視化的輸入程序,程序根據(jù)輸入?yún)?shù)的不同完成對應目標、導彈、戰(zhàn)斗部、炸點控制模型和交會彈道的初始化工作。

2)主程序模塊。主程序模塊用于產(chǎn)生雙模導引信息、雙模探測信息,根據(jù)炸點控制模型計算炸點參數(shù),并利用計算得到的炸點參數(shù)或用戶輸入的彈道參數(shù)和炸點參數(shù)起爆戰(zhàn)斗部,實時計算命中點參數(shù)和引戰(zhàn)配合效率,模擬并可視化的顯示引戰(zhàn)配合過程。

3)接口模塊。接口模塊的功能是將用戶的彈道數(shù)據(jù)、測量參數(shù)或炸點參數(shù)輸入到主程序,主程序依據(jù)輸入?yún)?shù)給出起爆信號,實現(xiàn)戰(zhàn)斗部起爆、殺傷元飛散、命中目標過程的可視化,并對命中點參數(shù)和引戰(zhàn)配合效能進行計算。

4)性能分析模塊。本模塊對基于主程序計算得到炸點參數(shù)和用戶輸入的導引頭測量參數(shù)/炸點參數(shù)起爆戰(zhàn)斗部后引戰(zhàn)配合效能的計算結(jié)果進行分析,實現(xiàn)對不同交會條件下的起爆控制算法和引戰(zhàn)系統(tǒng)性能的分析和驗證。

5)信息存儲模塊。本模塊對輸入?yún)?shù)、炸點參數(shù)、接口模塊的輸入/輸出信息以及性能分析/驗證模塊中的計算結(jié)果進行存儲,以便對不同輸入?yún)?shù)下的引戰(zhàn)系統(tǒng)性能進行分析對比。

2.2　交會彈道的生成

如圖2,由給定初始彈目距離R和目標在彈體坐標系內(nèi)的極角?T、方位角φT確定的初始彈道的方向矢量為s={m,n,p},式中:

(1)

相對速度在坐標軸上的分量為:

(2)

圖2　不同脫靶方位和脫靶量的平行彈道

給定彈體坐標系內(nèi)的脫靶方位φw,脫靶量ρ,則彈體坐標系內(nèi)脫靶點P的位置為:

(3)

彈體坐標系內(nèi)目標T的位置為:

(4)

則經(jīng)過給定脫靶點且與初始彈道平行的彈道為:

(5)

改變式中脫靶方位φw和脫靶量ρ,便可得到多條與初始彈道平行而脫靶方位和脫靶量不同的平行彈道。

2.3　GIF信息模擬

制導信息主要包括多普勒頻率、導引頭天線軸(光軸)與彈軸夾角,導引頭天線軸(光軸)相對于彈軸的高低角和方位角、高低角速度和方位角速度、彈目視線角速度、脫靶方位、彈目距離。

1)多普勒頻率fd(t)

對于雷達制導GIF引信,導引頭輸出的多普勒頻率可利用下式模擬:

(6)

式中:λ為導引頭工作波長;R(t)為彈目距離;φr(t)為彈目相對運動速度與彈目連線的夾角;vr(t)為彈目相對運動速度。

2)彈目相對運動速度vr

利用多普勒頻率,可以計算得到彈目相對運動速度vr(t):

(7)

在導引頭失控前,相對運動速度始終指向目標,通常認為此時的φr(t)=0,所以:

(8)

3)導引頭天線軸(光軸)與彈軸夾角Ω(t)

利用導引頭天線軸(光軸)相對于彈軸的高低角α(t)和方位角β(t),可得到導引頭天線軸(光軸)與彈軸的夾角Ω(t):

(9)

4)彈目視線角速度q′(t)

彈目視線角速度q′(t)可表示為:

(10)

式中:u(t)為陀螺的輸出電壓;K為導航系數(shù)。

q′(t)由導引頭天線隨動系統(tǒng)給出,高低角速度α′(t)和方位角速度β′(t)由高低、方位上的陀螺輸出得到,在軟件中上述參數(shù)則由彈目相對運動方程得到。

5)脫靶方位ω

脫靶方位可利用目標丟失前導引頭測得的視線角速度分量來確定。視線角速度矢量在脫靶平面上投影的方位即為脫靶方位。

在軟件中,脫靶方位ω和脫靶量作為輸入?yún)?shù)確定。

6)彈目距離R(t)

對于雷達制導GIF引信,彈目距離R(t)由導引頭測得。

2.4　目標、導彈建模

建立精確的目標三維模型是制導中心和觸發(fā)點定義的基礎(chǔ),是命中點參數(shù)識別和命中數(shù)統(tǒng)計的前提。為便于計算命中點參數(shù)且又具備較好的可視化效果,利用OpenGL對目標進行實體建模并定義其材質(zhì)、貼圖、光照、顏色等屬性,使其具有逼真的視覺效果[5],同時建立該目標的面元模型描述,用于觸發(fā)點、命中點等參數(shù)的計算和顯示。在彈目交會過程中,目標實體模型、目標面元模型、觸發(fā)點、命中點同步運動、同步顯示。如圖3分別為長空靶機的實體模型、面元模型及實體模型和面元模型共同顯示的效果。

圖3　長空靶機的實體模型和面元模型

采用實體模型和面元模型分別建模的優(yōu)點就是可實現(xiàn)模型精度的任意選擇,滿足不同硬件平臺上軟件運行和快速仿真的需要,而可視化效果保持不變。

導彈三維模型的建立要相對簡單一些,無需考慮構(gòu)成導彈的面元參數(shù)及其變化情況,考慮戰(zhàn)斗部起爆點參數(shù)及破片運動參數(shù)計算的需要,軟件中只需保留導彈質(zhì)心運動參數(shù),因此可用平面、圓柱、圓錐、圓臺等基本幾何體組合構(gòu)成導彈三維實體模型。

2.5　命中點參數(shù)計算

引戰(zhàn)配合效果分析和評估是基于命中目標破片數(shù)占戰(zhàn)斗部破片總數(shù)百分比、引戰(zhàn)配合效率、0破片命中概率等參數(shù)的計算來進行的,命中點參數(shù)的準確計算是上述參數(shù)計算的基礎(chǔ)。

圖4　導彈三維實體建模

戰(zhàn)斗部起爆后,任一時刻任一殺傷元的空間位置由起爆點位置、該殺傷元的運動方向矢量、該殺傷元的動態(tài)初速以及速度衰減規(guī)律決定,基于殺傷元的實時位置參數(shù)、運動參數(shù)及目標面元模型參數(shù),即可判斷該殺傷元是否命中目標、命中目標的時刻及命中點參數(shù)。

在算法設(shè)計時,可把每一枚殺傷元的運動過程看作是一條以戰(zhàn)斗部中心為起點的線段不斷延長的過程,在每個步長內(nèi)線段的延長量由殺傷元動態(tài)飛散速度決定,延長方向由殺傷元的方向矢量決定。

為提高算法執(zhí)行效率,本軟件針對各種目標的外形參數(shù)分別定義其包圍球,包圍球半徑由目標外形參數(shù)自動確定,也支持由用戶直接輸入。破片飛散過程中未進入包圍球的破片均不作命中參數(shù)計算,由此可以大大降低運算量。首先用外層包圍球與各殺傷元做重疊測試,重疊的殺傷元再逐一與內(nèi)層各部件包圍球做重疊測試,與內(nèi)層包圍球重疊的殺傷元再做命中參數(shù)計算。圖5為基于多層包圍球計算命中參數(shù)的可視化過程。

圖5　基于多層包圍球計算命中參數(shù)

2.6　軟件界面設(shè)計

軟件界面設(shè)計如圖6所示,界面上端為菜單欄和工具條,用于完成參數(shù)輸入、啟動仿真、可視化顯示、數(shù)據(jù)顯示、結(jié)果保存和幫助功能。界面中部左側(cè)為彈目交會場景和引戰(zhàn)配合過程可視化顯示區(qū)。界面右側(cè)為彈目交會過程中采樣點參數(shù)記錄、炸點參數(shù)估計曲線及其它中間數(shù)據(jù)顯示區(qū)。

仿真完畢后,從主菜單或工具欄上打開如圖7所示性能分析窗口,每次交會的初始參數(shù)、估計的脫靶參數(shù)、詳細的命中點參數(shù)、命中結(jié)果統(tǒng)計參數(shù)等寫入性能分析數(shù)據(jù)文件并保存。如果在參數(shù)輸入界面中選擇固定彈道參數(shù)數(shù)字仿真模式或彈道參數(shù)區(qū)間數(shù)字仿真模式,軟件將對多次仿真的引戰(zhàn)配合效率等指標進行統(tǒng)計并寫入性能分析數(shù)據(jù)文件。基于此數(shù)據(jù)文件和圖8所示命中點分布圖,可對引戰(zhàn)配合效果進行直觀分析。

圖6　軟件界面

圖7　性能分析

圖8　命中點分布圖

3結(jié)論

文中提出了一體化引信引戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件

的設(shè)計方法,利用一體化引信引戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件的多種仿真模式可對一體化引信系統(tǒng)起爆控制算法和引戰(zhàn)系統(tǒng)性能進行分析和評估。該軟件采用模塊化設(shè)計,預留起爆控制算法模塊的接口,可對不同信息利用情況下的炸點控制模型進行驗證。

參考文獻:

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[3]梁堂文. 防空導彈引信設(shè)計及仿真技術(shù) [M]. 北京: 宇航出版社, 1995.

[4]方輝煜. 防空導彈武器系統(tǒng)仿真 [M]. 北京: 宇航出版社, 1995.

[5]賈志剛. 精通OpenGL [M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 1998.

收稿日期:2014-09-14

作者簡介:王瓊(1983-),女,河南信陽人,工程師,碩士,研究方向:引信信號處理。

中圖分類號:TP391.9

文獻標志碼:A

Design of Digital Simulation Software of GIF Fuze Fuze-warhead System

WANG Qiong,ZHOU Junwei,LIU Bin,WANG Hongbo,ZHAUNG Zhihong

(China Airborne Missile Academy, Henan Luoyang 471009, China)

Abstract:According to the demand for analysis and assessment of burst control algorithm and fuze-warhead performance during design of GIF fuze, a digital simulation software of GIF fuze fuze-warhead system was developed. This software consists of parameter input module, main program module, data interface module, fuze-warhead matching performance analysis module and information storage module. The function and related key technologies of the modules were introduced. Visual and digital simulation of missile-target encounter and fuze warhead matching process of these targets can be conducted, cooperation efficiency of fuze and warhead of the burst control algorithm was evaluated, and accuracy and efficiency of the burst control model were testified.

Keywords:GIF fuze; fuze-warhead system; digital simulation