基于Matlab /FightGear 的戰斗機自動攻擊模擬仿真

左星星, 張斌, 梅桂芳, 李浩亮

(1.空軍工程大學 工程學院, 陜西 西安 710038;2.西安交通大學 電氣工程學院, 陜西 西安 710049)

基于Matlab /FightGear 的戰斗機自動攻擊模擬仿真

左星星1, 張斌1, 梅桂芳2, 李浩亮1

(1.空軍工程大學 工程學院, 陜西 西安 710038;2.西安交通大學 電氣工程學院, 陜西 西安 710049)

實現戰斗機自動攻擊能極大地減輕飛行員的負擔,是未來空戰的發展方向。首先分析了飛機模型和瞄準誤差基本理論;然后利用Simulink工具箱建立六自由度飛機模型,通過瞄準誤差解算出控制信息實現飛機自動控制,并結合可編程飛行平臺FlightGear模擬仿真戰斗機自動攻擊過程,將攻擊過程中瞄準誤差作為攻擊效果評價的指標;最后給出仿真結果,表明戰斗機順利實現了自動攻擊。

自動攻擊; 瞄準誤差; 六自由度

引言

空戰的目的是擊落或驅逐對手,同時保證自身的安全[1-2]。近距空戰時敵我雙方斗智斗勇,空戰過程異常激烈,這給飛行員造成巨大壓力,甚至導致空戰失敗[3-4]。實現戰斗機自動攻擊能夠很大程度減輕飛行員壓力,贏得更多獲勝的機會。

基于此,本文設計實現了戰斗機的自動攻擊。通過攻擊時我機瞄準誤差的變化解算出飛機應飛控制信息,實現對飛機的自動控制,結合Simulink工具箱和FlightGear飛行平臺設計戰斗機模型并模擬仿真戰斗機的攻擊過程。

1 基本理論

瞄準誤差是飛行員通過瞄準標志瞄準目標時瞄準線與目標線之間的夾角[5]。近距空戰中,瞄準誤差是判斷戰斗機是否滿足攻擊條件的重要指標。本文采用戰斗機瞄準誤差趨于零或在某一允許范圍內作為攻擊指標,根據瞄準誤差的實時變化情況來操控飛機進行機動,從而實現戰斗機自動攻擊。

1.1 水平面瞄準誤差

水平面瞄準誤差如圖1所示。圖中,VPτ為戰斗機在水平面內所需的速度矢量;θPτ為水平面內戰斗機所需速度矢量的前置角;Vdτ和td分別為導彈水平面飛行的分速度和擊中目標所需的飛行時間;tH為戰斗機和目標的飛行時間。

圖1 水平面瞄準誤差

將戰斗機、目標和導彈的運動軌跡投影到瞄準線及其法線方向,可得:

Rτ=VτtHcosθPτ+VdτtdcosθPτ-

VTτtHcosθTτ

(1)

VTτtHsinθTτ=VτtHsinθPτ+VdτtdsinθPτ

(2)

可得水平面內引導瞄準誤差為:

Δτ=K(θτ-θPτ)

(3)

1.2 垂直面瞄準誤差

垂直面瞄準誤差如圖2所示。圖中,VPβ為戰斗機在垂直平面所需速度矢量;θPβ為垂直面內戰斗機所需速度矢量的前置角;Vdβ和td分別為導彈垂直面飛行的分速度和擊中目標所需的飛行時間。

圖2 垂直面瞄準誤差

將戰斗機、目標和導彈的運動軌跡投影到垂直面瞄準線及其法線方向,可得:

Rβ=VβtHcosθPβ+VdβtdcosθPβ-

VTβtHcosθTβ

(4)

VTβtHsinθTβ=VβtHsinθPβ+VdβtdsinθPβ

(5)

可得垂直面內引導瞄準誤差為:

Δβ=K(θβ-θPβ)

(6)

2 仿真流程設計

2.1 原理分析

本文是基于瞄準誤差模擬戰斗機自動攻擊過程。首先,假設我機在截獲敵機條件下,通過機載設備獲取敵機的方位、坐標、運動參數等信息,我機根據敵機信息作出相應的機動跟蹤目標;我機將本機和敵機信息同時送給火控計算機進行火控解算;然后提取與瞄準誤差相關信息送給瞄準誤差計算模塊進行誤差解算;最后將得到的誤差信息轉換為相應的戰機操控信息,如油門量、俯仰量、偏航量等通過平顯顯示,并送到我機飛控系統進行自動控制飛行,直到消除瞄準誤差實現自動攻擊。攻擊示意圖如圖3所示。

圖3 自動攻擊示意圖

2.2 仿真總體設計

選取Matlab中Simulink工具箱和FlightGear飛行軟件進行仿真設計。FlightGear是一款多平臺飛行模擬器,其代碼開源,開發者可以根據自己的需求編寫不同飛機模型[6-7]。本文仿真需要用三臺計算機完成(一臺模擬敵機,一臺模擬我機,一臺用作FlightGear顯示),如圖4所示。

圖4 仿真示意圖

2.2.1戰斗機模型設計

根據分析,本文基于文獻[8]中的F-16模型設計六自由度飛機模型,依據六自由度飛機模型力學、運動學等規律,利用Simulink中提供的可供用戶自主編程設計的S-function模塊來設計所需要的敵我機模型。

2.2.2瞄準誤差模塊

為了方便控制信息的解算,將瞄準誤差分解為俯仰瞄準誤差和方位瞄準誤差,即水平、垂直面瞄準誤差,見式(3)和式(6)。同理用S-function模塊進行編程,設計出誤差和控制信息解算模塊,如圖5所示。

圖5 瞄準誤差計算模塊

2.2.3網絡模塊

由于仿真過程中敵機和我機模型輸入輸出的信息比較多,也不可能單獨傳輸每個信息,因此,為了實現仿真全部信息在局域網中的傳輸,首先選用Simulink中packet模塊將信息壓縮打包然后用網絡發送模塊UDP Send按照UDP協議進行信息傳輸,實現敵機、我機、實景顯示三者的實時仿真。

2.3 仿真實現

根據原理將設計的模塊連接成如圖6所示的自動攻擊Simulink框圖。開始仿真,設定敵機和我機初始運動條件,將敵機信息壓縮打包通過網絡發到我機平臺;我機平臺提取可用信息匯總我機自身信息送到平臺下瞄準誤差計算模塊;該模塊將誤差信息送給控制信息解算模塊解算出我機自動攻擊的控制信息,并將控制信息反饋給我機飛控系統進行自動控制,直到消除瞄準誤差完成攻擊。同時將敵機和我機信息通過網絡發送到FlightGear顯示平臺進行實景顯示。

圖6 Simulink仿真框圖

3 仿真結果

假設敵機作直線運動,設定敵機初始位置條件為:xm=1 000 m,ym=1 200 m,zm=5 000 m;初速度:Vm=160 m/s;側滑角、迎角分別為:βm=0,αm=(5π)/180;升降舵偏角:δem=π/180,方向舵偏角:δrm=(2π)/180,副翼偏角δam=π/180;油門:Tm=0.1485,敵機作直線運動，三個方向轉動角速度為零。

我機初始位置條件為:xw=-1 000 m,yw=200 m,zw=3 000 m;初速度:Vw=164 m/s;側滑角、迎角分別為:βw=0,αw=(10π)/180;升降舵偏角:δew=(2π)/180,方向舵偏角:δrw=(5π)/180,副翼偏角:δaw=π/180;油門:Tw=0.2,轉動角速度:pw=1 (°)/s,qw=-1 (°)/s,rw=1 (°)/s,仿真時間50 s。仿真過程如圖7～圖10所示。

由圖8可知,我機自動攻擊時,在開始10 s內跟蹤敵機,作較大機動,因此迎角、側滑角變化劇烈;10 s后我機鎖定敵機時,二者趨于穩定,我機穩定飛行直到攻擊完成。

圖7 敵我機運動軌跡

圖8 我機攻擊時迎角和側滑角變化曲線

圖9 我機瞄準誤差變化曲線

由圖9可知,自動攻擊過程中我機瞄準誤差在不斷減小,開始階段我機的瞄準誤差變化較大,此時飛控系統根據解算的控制信息自動調整飛機跟蹤敵機使瞄準誤差逐漸減小直到為零,成功消除瞄準誤差最后完成攻擊,仿真達到預期效果。

圖10 我機過載變化曲線

從圖10可以看出,我機切向過載、法向過載都趨于穩定,在前10 s為了追蹤敵機進行機動,此時兩個方向上過載有較大變化(完成速度變化和轉彎過程),最后成功鎖定敵機,切向過載減小為零,法向過載減小到穩定狀態。

4 結束語

本文基于瞄準誤差理論對戰斗機自動攻擊過程進行模擬仿真,將攻擊過程中瞄準誤差作為重要指標來評價自動攻擊效果。仿真采用Matlab的Simulink工具箱與FlightGear可編程飛行平臺相結合,利用Simulink進行飛行數據計算仿真,并通過FlightGear實時實景顯示攻擊過程。仿真結果表明,攻擊過程中瞄準誤差顯著減小到零,順利完成自動攻擊。本文的研究對將來實現戰斗機自動攻擊有一定的實用價值。

[1] 姚佩陽,薛藝莉,王冬旭.迎頭搶攻飛行軌跡數學建模及評估[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2010,11(2):6-10.

[2] 藍偉華.空對空多目標攻擊系統技術[J].電光與控制,2006,13(3):15-18.

[3] 杜永偉.基于瞄準誤差的戰斗機自動攻擊引導方法研究[D].西安:空軍工程大學,2010.

[4] 梁鴻飛,范廣才,董彥非.空戰戰法訓練系統目標機飛行軌跡實現[J].計算機仿真,2005,22(12):32-34.

[5] 周志剛.航空綜合火力控制原理[M].北京:國防工業出版社,2008.

[6] 黃華,徐幼平,鄧志武.基于FlightGear模擬器的實時可視化飛行仿真系統[J].系統仿真學報,2007,19(19):4421-4423.

[7] 王立波,張復春,高文琦,等.基于FlightGear飛行仿真軟件數據的采集與處理[J].電子設計工程,2011,19(24):53-57.

[8] Brian L S,Frank L L.Aircraft control and simulation [M].United States:Jhon Wiley & Sons,2004.

(編輯：崔立峰)

SimulationoffighterplaneautomaticattackbasedonMatlab/FlightGear

ZUO Xing-xing1, ZHANG Bin1, MEI Gui-fang2, LI Hao-liang1

(1.Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;2.Electrical Engineering College, Xi’an Jiao Tong University, Xi’an 710049, China)

Automatic attack can reduce pressure of pilot is the important part of the direction of air war. First analyzing the fighter plane model and the basic theory of sight error, building 6-DOF fighter plane model, computing the message of control by sight error to achieve auto control, combining the FlightGear to simulate fighter plane automatic attack, taking sight error as the target of attacking effect. The result showed fighter plane finish automatic attack.

automatic attack; sight error; 6-DOF

V211.8

A

1002-0853(2012)06-0565-04

2012-03-21;

2012-08-05; < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2012-11-23 14∶01

航空科學基金資助(20095196012)

左星星(1989-)，男，江蘇漣水人，碩士研究生，研究方向為航空火力指揮與電子綜合。