趙書占,許 軻,2,褚建川,2,吳根水,2

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471009;2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點實驗室,河南 洛陽 471009)

1 引 言

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展與進步,半實物仿真越來越多地應(yīng)用于武器研制定型試驗中。半實物仿真作為導(dǎo)彈打靶前的重要驗證環(huán)節(jié),在導(dǎo)彈研制定型過程中作用日益重要,半實物仿真系統(tǒng)要具備全面考核導(dǎo)彈性能的能力[1-10]。半實物仿真系統(tǒng)主要由仿真試驗總控制臺、彈道仿真計算平臺、目標(biāo)模擬系統(tǒng)、飛行模擬轉(zhuǎn)臺及其控制機構(gòu)五大部分組成。各部分通過光纖反射內(nèi)存卡完成組網(wǎng),實時共享信息。半實物仿真系統(tǒng)組成框圖如圖1所示:現(xiàn)有半實物仿真系統(tǒng)中,導(dǎo)彈的空中姿態(tài)運動通過三軸飛行轉(zhuǎn)臺進行模擬,目標(biāo)相對導(dǎo)彈的運動即彈目視線角運動由目標(biāo)模擬系統(tǒng)模擬。隨著導(dǎo)彈探測能力的提升,目標(biāo)機動能力的增強,以及導(dǎo)彈算法中大多設(shè)計了爬高彈道以適應(yīng)更遠(yuǎn)的射程需求[11-12],這使得導(dǎo)彈在飛行過程中的姿態(tài)角變化范圍大幅度增大。在進行彈目視線角的模擬時,必須采取系統(tǒng)零位預(yù)偏的方法,即便如此,也對轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動范圍提出了更高需求,在實際仿真過程中,往往超出轉(zhuǎn)臺的設(shè)備轉(zhuǎn)動極限。即預(yù)偏后,導(dǎo)彈在飛行過程中,導(dǎo)彈姿態(tài)角度變化范圍超出現(xiàn)有仿真試驗室飛行轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動范圍。因此必須相應(yīng)的提升轉(zhuǎn)臺的能力,隨著而來就是系統(tǒng)建設(shè)成本和使用維護難度的急劇增加。

圖1 半實物仿真系統(tǒng)示意圖

捷聯(lián)導(dǎo)引頭具備結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點,因此廣泛應(yīng)用于新型導(dǎo)彈上,然而由于捷聯(lián)導(dǎo)引頭固聯(lián)安裝于彈體上,測得的角度信息與彈體姿態(tài)完全耦合,不能直接得到可用于制導(dǎo)的有用信息,因此需要對真實彈體姿態(tài)信息進行導(dǎo)引頭解耦合[13-17]。

因此本文結(jié)合自身系統(tǒng)特點,同時基于捷聯(lián)導(dǎo)引頭去耦問題考慮,設(shè)計了一種慣測注入式仿真方法提升系統(tǒng)能力,解決這一問題。

2 慣測注入仿真方法原理

彈目視線模擬是通過目標(biāo)模擬系統(tǒng)實現(xiàn)的,也是導(dǎo)彈導(dǎo)引系統(tǒng)的唯一測量輸入。按現(xiàn)有制導(dǎo)半實物仿真技術(shù),一般在目標(biāo)視線角超出目標(biāo)模擬范圍時進行系統(tǒng)零位預(yù)偏,使其落入目標(biāo)模擬范圍,此時導(dǎo)彈姿態(tài)模擬的零位對應(yīng)調(diào)整,以擴展半實物仿真系統(tǒng)的能力。因此本注入仿真方法的前提是導(dǎo)彈末制導(dǎo)段目標(biāo)模擬視場范圍滿足彈目視線變化范圍。主要設(shè)計流程為:以慣測全注入方式模擬導(dǎo)彈線運動和角運動,使導(dǎo)彈姿態(tài)與轉(zhuǎn)臺運動分離,然而由于導(dǎo)引頭必須使用真實陀螺的測量值解算彈體角運動耦合,所以無法全程使用設(shè)備注入值。因此本文提出了一種在中制導(dǎo)階段將導(dǎo)彈飛控組件所需要的角運動信息通過脈沖注入方式實現(xiàn),而將末制導(dǎo)段導(dǎo)彈導(dǎo)引頭所需要的角運動信息仍通過陀螺實際測量得出的設(shè)計方案。這樣既使得中制導(dǎo)段導(dǎo)彈的姿態(tài)與轉(zhuǎn)臺運動相分離,使得末制導(dǎo)階段轉(zhuǎn)臺隨動狀況良好,并且巧妙避免了捷聯(lián)導(dǎo)引頭解耦合問題的復(fù)雜化,增大了半實物仿真系統(tǒng)可以仿真的導(dǎo)彈姿態(tài)角度變化范圍。

根據(jù)這一特點,設(shè)計慣測注入方案:借用舵機給飛控組件的信息通道把慣測模擬的脈沖數(shù)(包括加速度計測量的加速度和陀螺測量的角速度)以數(shù)值的形式通過該信息通道注入飛控組件信息處理單元。該方案具體內(nèi)容如下:

1)飛控組件只使用設(shè)備的加速度脈沖數(shù)注入值進行導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制計算；

2)飛控組件同時接收設(shè)備的角速度脈沖數(shù)注入值和真實陀螺的測量值,前者用于飛控組件的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制計算,后者送給導(dǎo)引頭用于解彈體角運動耦合；

3)設(shè)備實時采集飛控組件發(fā)出的舵控信號并送到仿真模型計算,經(jīng)舵機模型和穩(wěn)定回路模型的計算結(jié)果由設(shè)備轉(zhuǎn)成脈沖數(shù)寫入飛控組件；

在這種方法下,半實物仿真系統(tǒng)閉合框圖如圖2所示:產(chǎn)品慣測輸出的舵控指令由仿真調(diào)度系統(tǒng)的舵控采集設(shè)備采集收到,實時解碼后送給仿真模型,仿真模型經(jīng)過舵機模型和動力學(xué)模型,結(jié)合其他相關(guān)的遙測信息,計算得到彈體動力學(xué)響應(yīng),輸出導(dǎo)彈加速度和角速度信息,送到脈沖注入設(shè)備,實時轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)經(jīng)由脈沖通道注入飛控信息處理單元,實現(xiàn)系統(tǒng)閉合。

圖2 半實物仿真系統(tǒng)注入方法閉合框圖

3 慣測注入仿真方法設(shè)計實現(xiàn)

3.1 注入模塊設(shè)計

注入模塊主要完成對慣測單元的信息采集,根據(jù)編解碼規(guī)則,對采集的信息進行解析,解出相關(guān)的舵偏指令,然后實時寫光纖,作為仿真機計算的輸入；注入模塊根據(jù)仿真機計算輸入的加速度角速度信息,進行脈沖轉(zhuǎn)換,輸入給飛控組件；注入模塊根據(jù)采集的信息模擬舵機與飛控組件的信息交互,完成產(chǎn)品自檢。

通過以上分析,需要在現(xiàn)有半實物仿真系統(tǒng)增加一個慣測模塊,該模塊需要有慣測采集注入卡,光纖反射內(nèi)存卡,控制計算機及控制軟件開發(fā),以及給飛控組件注入的接線。慣測注入模塊示意圖如圖3所示。

圖3 慣測注入模塊示意圖

3.2 仿真機模型設(shè)計

仿真機模型需要的傳統(tǒng)模型設(shè)計上增加舵機模型和優(yōu)化動力學(xué)計算單元和轉(zhuǎn)臺控制單元。舵機模型根據(jù)注入模塊解碼的舵偏指令完成舵機舵偏角的計算。動力學(xué)計算單元利用輸入的舵偏角以及遙測信息,通過對氣動參數(shù)的插值計算、發(fā)動機推力計算、阻力計算,完成導(dǎo)彈的線加速度、角加速度計算輸入給慣測注入模塊。同時仿真模型計算出導(dǎo)航的姿態(tài)角及發(fā)送給轉(zhuǎn)臺的角位置。以前的仿真模型是將導(dǎo)彈姿態(tài)信息發(fā)送給飛行轉(zhuǎn)臺,轉(zhuǎn)臺接受姿態(tài)信息后開始轉(zhuǎn)動,由彈上的陀螺去敏感轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動過程中所產(chǎn)生的角速度信息,從而積分得到角度信息。在采用慣測注入方法后,彈體的姿態(tài)信息和轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動信息是相隔離的,需要考慮轉(zhuǎn)臺位置限幅對注入的角速度的影響。

基于以上分析,仿真機計算平臺無需硬件改動,只需在原有模型基礎(chǔ)上增加新的軟件模塊,硬件成本幾乎可以忽略。仿真機模型計算示意圖如圖4所示。

圖4 仿真機模型示意圖

4 慣測注入式仿真方法驗證

為了驗證上述仿真模型設(shè)計的有效性,開展了半實物仿真試驗,具體試驗方法如下,根據(jù)數(shù)字彈道仿真,預(yù)先計算出彈道全部飛行過程的姿態(tài)角變化范圍,末制導(dǎo)段彈道的姿態(tài)角變換范圍和彈目視線變換范圍。預(yù)置轉(zhuǎn)臺到固定角度,使得末制導(dǎo)段彈道的姿態(tài)角變換范圍和彈目視線變換范圍滿足現(xiàn)有半實物仿真系統(tǒng)能力。仿真機轉(zhuǎn)臺控制邏輯為,當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)臺角度超過預(yù)置角度轉(zhuǎn)臺不動,進入轉(zhuǎn)臺角度范圍內(nèi),開始隨動,保證末制導(dǎo)段導(dǎo)引頭組件使用真實信息進行解耦。具體仿真曲線如圖5、6、7、8所示(以Y方向為例)。

由圖5可以看出,轉(zhuǎn)臺姿態(tài)角與彈體姿態(tài)角是相分離的,初始階段,轉(zhuǎn)臺處于預(yù)置固定角度,而產(chǎn)品的姿態(tài)信息是仿真模型計算的數(shù)據(jù)值通過脈沖信號注入給產(chǎn)品得來的。彈體姿態(tài)角和仿真計算的姿態(tài)角一致。從圖6、圖7中可以看出,仿真機計算的注入角速度和加速度信息和產(chǎn)品感知的角速度信息一致,證明慣測注入信息準(zhǔn)確。圖8可以看出仿真機計算的框架角和導(dǎo)引頭感知的框架角一致。整個試驗完成閉合,慣測注入仿真是可行的。

圖5 注入角、轉(zhuǎn)臺角、彈體感知角對比

圖6 注入角速度和彈體感知角速度對比

圖7 注入加速度和彈體感知加速度對比

圖8 仿真機計算框架角和導(dǎo)引頭框架角對比

5 結(jié) 論

經(jīng)過驗證,慣測注入式仿真方法可以提升半實物仿真試驗系統(tǒng)的能力,提高可仿真的導(dǎo)彈姿態(tài)角度變化范圍,且成本增加有限,但該方法只適用于導(dǎo)彈末制導(dǎo)段目標(biāo)模擬視場范圍滿足彈目視線變化范圍,末制導(dǎo)段隨動,保證捷聯(lián)導(dǎo)引頭解耦信息真實感知。