VxWorks平臺下的火控系統設計與仿真

高金艷，李冬輝

（1.天津大學電氣與自動化工程學院，300072天津；2.國防科技大學電子科學與工程學院，410073長沙）

VxWorks平臺下的火控系統設計與仿真

高金艷1，2，李冬輝1

（1.天津大學電氣與自動化工程學院，300072天津；2.國防科技大學電子科學與工程學院，410073長沙）

為適應軍事發展的要求，基于經典火控系統結構，首先設計了火控仿真系統的系統框架，建立了仿真系統的各子系統數學模型；而后基于嵌入式VxWorks實時操作系統，實現了各子系統功能模塊及其間的通信；最后，基于所實現的火控仿真系統，在不同國產武器配置類型下，實現了空空攻擊想定條件下的兩組實例仿真研究.仿真結果表明：空空攻擊時，若進行近距離格斗，選擇霹靂-8（PL-8）較好，若是遠距離格斗，則選擇霹靂-12（PL-12）更適宜，更能保證攻擊路線的穩定性和平滑性.

火控仿真系統；VxWorks；比例導引；純追蹤；多任務

日益復雜多變的現代作戰戰場環境對火力控制系統提出越來越高的要求，而在傳統聯合式的綜合火控系統中，功能要求的提高將直接導致火力控制系統子系統數目的增多［1］.然而，功能子系統數量的快速增長將使得火力控制系統的復雜度增加，從而在很大程度上會降低航空火力控制系統的可靠性以及實時性.另外，考慮到軍隊訓練受許多因素的限制，近年來國內就此作了大量研究仿真研究［2-6］.

鑒于當前火力控制系統的系統特征和要求，同時考慮到VxWorks操作系統［7-8］具有強實時性和高可靠性的特點，本文基于嵌入式VxWorks平臺，在建立航空火力控制系統各個功能系統模型基礎上，實現了一個航空火控仿真系統.

1 航空火力控制系統

航空火力控制系統的基本任務是控制飛機火力的方向、密度、時機和持續時間.其基本功能是在引導飛機到目標或載機發現目標后，沿最佳航線接近目標、搜索、識別、跟蹤目標；測量目標與載機的運動參數，進行火力控制計算，選擇武器類型、控制武器的發射方式、數量和裝訂引信；必要時對某些指導武器進行發射前的參數裝訂和發射后制導，使用雷達等火控系統導引武器命中目標［9］.

本文搭建的火控仿真系統總體結構如圖1所示，包括試驗管理與運行、飛行控制管理、火控任務機、傳感器管理、武器管理子系統5個模塊.各子系統間交聯過程如下：試驗管理與運行子系統通知各子系統作戰想定類型以及要發射何種武器，飛行控制管理子系統提供飛機飛行的實時數據，一旦傳感器子系統中的雷達截獲目標，飛行控制管理子系統將飛機的飛行參數、傳感器子系統探測到的目標參數一并提供給火控任務機子系統，火控任務機子系統通過解算，判斷武器是否滿足發射條件，若滿足發射條件，通知武器管理子系統發射武器.圖中箭頭方向代表各子系統間的通信方向.

圖1 火控仿真系統總體結構設計

2 火控仿真系統建模

2.1 試驗管理與運行子系統設計與實現

試驗管理與運行子系統是火控仿真系統的主控系統，是維護系統的主要事件循環，負責整個軟件系統各模塊的協同工作.其具體實現功能如下：首先，判斷系統要發射哪種武器對目標進行攻擊；其次，創建信號量，為實現任務間通信作準備；最后，通過VxWorks中任務創建函數taskSpawn創建并激活所需的 5個任務，仿真結束后通過任務刪除函數taskDelete刪除相應任務.

2.2 飛行控制管理子系統設計與實現

飛行控制管理子系統工作流程如圖2所示，圖中Tinfo為持續截獲目標時間，Tst為雷達從搜索到跟蹤目標所需時間.起初雷達若搜索不到目標，飛機以一定速度朝假定目標飛行，若雷達搜索到目標的時間超過Tst（假定Tst=30 s），則認為飛機成功截獲目標，若目標剛好又在雷達的跟蹤范圍內，則設定雷達狀態為跟蹤狀態，并將目標數據信息傳遞給傳感器子系統.

2.3 傳感器管理子系統設計與實現

雷達模型的工作狀態切換流程如圖3所示.雷達傳感器模型有兩種工作模式：搜索和跟蹤.雷達的起始工作狀態為搜索狀態.當目標的距離、方位角、俯仰角和目標線角速度滿足雷達探測條件時，雷達截獲目標.持續截獲目標達到一定長的時間，且滿足跟蹤的距離、方位角、俯仰角和目標線角速度限制后，進入跟蹤狀態.無論是在截獲狀態還是在跟蹤狀態，一旦丟失目標，雷達立即進入搜索狀態.

2.4 火控任務機子系統設計與實現

火控任務機子系統主要用于數據處理，包括瞄準計算與控制、導航計算、顯示機制、總線傳輸控制、飛行能量管理等相應的任務［9］.本文設計的火控任務機子系統的工作過程：火控任務子系統從傳感器子系統接收到目標的數據并從飛行控制管理子系統接收到飛機數據后，通過解算，若武器一開始不滿足發射條件，控制飛機在一定時間內按純追蹤方式對目標進行跟蹤，并實時判斷武器是否滿足發射條件.

圖2 飛行控制管理子系統工作流程

圖3 雷達工作狀態切換流程

2.5 空空導彈武器管理子系統設計與實現

空空導彈武器管理子系統運行流程如圖4所示.武裝直升機進行空戰時，使用的空空導彈類型主要為近距紅外格斗彈［10］.因此導彈發射后，不需要載機對其進行指令制導，直接從自身導引頭獲取目標信息，按照比例導引飛行，不斷地更新其速度和位置矢量，同時判斷是否滿足爆炸條件和攻擊失敗條件.若滿足爆炸條件，則導彈爆炸，不再存活；若滿足攻擊失敗條件，則導彈攻擊失敗，不再存活；若既不滿足爆炸條件，也不滿足攻擊失敗條件，則繼續按照比例導引飛行.下面從爆炸條件、攻擊失敗條件兩個方面詳細論述.

圖4 空空導彈運行流程

2.5.1 爆炸條件

模型主要從導彈安全時間、最小接近速度、導引頭盲區距離、殺傷半徑等因素來考慮導彈的爆炸條件，如圖5所示.圖中，R1為導引頭盲區距離；R2為導彈殺傷半徑；D為導彈到目標的距離；De為導彈的脫靶量.

圖5 導彈命中條件

導彈飛行時間為

導彈接近速度為

彈目距離為

脫靶量為

式中：Tmin為導彈最小可發射安全時間；Vdelta為導彈對目標的最小接近速度；為導彈初始速度；為導彈在第T時刻到目標的距離；為與速度方向相同的單位向量.

2.5.2 攻擊失敗條件

模型主要從導彈的最大飛行時間、導引頭跟蹤視場角、跟蹤角速度、導引頭最遠跟蹤距離、導引頭允許使用高度限制來考慮導彈的攻擊失敗條件，即在以下條件下，導彈攻擊失敗.

導彈飛行時間為

導引頭天線指向與彈軸夾角為

瞄準線角速度為

彈目距離為

導彈高度為

其中：Tmax、φmaxtrack、wmaxtrack、Dmax、Hmax、Hmin分別為導彈最大飛行時間、導引頭最大跟蹤視場角、最大跟蹤角速度、最大跟蹤距離、最大跟蹤高度、最小跟蹤高度.導彈在第T時刻的速度；為導彈初始位置；為

3 系統仿真與分析

在Tornado開發環境下實現火控仿真后，以空空攻擊想定類型PL-8、PL-12兩種發射武器類型為例，進行空戰過程的仿真，并將仿真結果進行評估和橫向對比.仿真時需作如下假定：假定機載、武器系統能夠無故障工作；飛行員能夠正確及時操作.

實例1 載機和目標位置相對較近，載機初始位置為（3 000 m，3 000 m，0 m），初始速度為（200 m／s，30 m／s，3 m／s）；目標初始位置為（6 000 m，2 000 m，1 000 m），初始速度為（150 m／s，10 m／s，6 m／s）.考慮到實際空戰中我機處于比敵方高的位置對目標攻擊更加安全、容易，選取目標比導彈低1 000 m的一組初始數據.飛機截獲目標過程中，飛機、目標飛行軌跡如圖6所示.圖中，C1為飛機截獲目標階段的飛行軌跡，C3為飛機返航階段的飛行軌跡，M為導彈運動軌跡，T為目標運動軌跡.

由圖6中，火控仿真系統執行過程：首先，飛機攜導彈直飛，成功截獲目標，如圖中紅色段所示；其次，經火控系統解算，目標在導彈的攻擊區內，導彈發射，飛機返航.導彈按比例導引方式發射后軌跡如圖中粉色段所示，飛機返航軌跡如圖中綠色段所示，返航點如圖中黃色段所示，目標從始至終飛行軌跡如圖中藍色段所示.

圖6 PL-8高空對低空近距仿真圖

實例2 載機和目標位置相對較遠，根據PL-8導彈各項發射邊界條件選取的初始參數.載機初始位置為（3 000 m，2 000 m，0 m），初始速度為（200 m／s，18 m／s，3 m／s）；目標初始位置為（95 000 m，500 m，16 000 m），初始速度為（150 m／s，3 m／s，6 m／s）.發射PL-8導彈時，仿真結果如圖7所示；發射PL-12導彈時，仿真結果如圖8所示.

圖7 PL-8邊界條件下發射仿真

圖8 PL-12在PL-8邊界條件下仿真

圖7、8中，火控仿真系統各子系統協調工作，對目標打擊過程：飛機先截獲目標，如圖中紅色段所示；由于彈目距離大于導彈的最大發射距離，飛機不得不按純追蹤跟蹤目標一段時間，如圖中黃色段所示；導彈滿足發射條件后，導彈按比例導引追蹤目標，如圖中粉色段所示；飛機返回，如圖中綠色段所示；目標從始至終飛行軌跡如圖中藍色段所示.

如果載機初始位置距離目標很遠，搜索、跟蹤不到目標，即使能截獲目標，目標也不在導彈的可攻擊區內，這時需要載機攜帶武器作較長時間的飛行，既危險，又很可能導致載機返航失敗，這種情況下更適宜發射遠程導彈PL-12.

4 結 論

1）設計了火控仿真系統的系統框架，基于此系統框架，建立了仿真系統的各個子系統數學模型，其中包括試驗管理子系統模型、武器管理子系統模型、飛行與控制子系統模型、傳感器管理子系統模型以及火控任務機子系統模型.

2）根據建立的各火控仿真子系統模型，基于嵌入式VxWorks實時操作系統，實現了各子系統功能模塊及其間的通信.

3）基于所實現的火控仿真系統，對于不同武器配置進行了兩組戰況仿真，并對仿真結果進行了分析與比較.空空攻擊時，若進行近距格斗，選擇PL-8較好，若是遠距離格斗，則選擇PL-12更適宜.

4）實現的火控仿真系統為探索和研究新一代綜合火控系統的系統設計和開發提供了一個研究平臺，同時為研制新型武器的早期功能設計提供了測試和驗證平臺，具有一定的適用價值.

［1］溫增葵，高曉光，魏小豐.基于VxWorks的機載火控仿真系統設計與實現［J］.火力與指揮控制，2012，37（7）：174-178.

［2］李如年，倪國旗，方中江.某型火控雷達仿真系統的設計與實現［J］.系統工程與電子技術，2009，31（3）：730-732.

［3］楊小龍，李成玉，封吉平.組網火控雷達目標跟蹤仿真系統設計［J］.電光與控制，2013，20（7）：24-27.

［4］蘇建剛，黃艷俊，王志生，等.自行高炮光電火控半實物仿真系統技術實現途徑分析［J］.火力與指揮控制，2013，38（7）：160-163.

［5］凌忠.面向機載火控雷達軟件設計半實物仿真系統［J］.現代雷達，2012，34（3）：50-54.

［6］譚立新，何艷麗.火炮火控系統中的火控算法研究［J］.鄭州：中州大學學報，2009，26（2）：126-128.

［7］相征.基于VxWorks嵌入式系統的數據通信［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2011.

［8］張楊，于銀濤.VxWorks內核、設備驅動與BSP開發詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

［9］陸彥，周志剛，夏英明.航空火力控制技術［M］.北京：國防工業出版社，1994.

［10］高曉光.航空軍用飛行器導論［M］.西安：西北工業大學出版社，2004.

（編輯 魏希柱）

Fire control system design and simulation based on VxWoks

GAO Jinyan1，2，LI Donghui1

（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，300072 Tianjin，China；2.College of Electronic Science and Engineering，National University of Defence Technology，410073 Changsha，China）

To meet the requirements of military development，firstly，the framework of the fire control simulation system（FCSS）is designed；then establishes every mathematical model of the fire control system，including the test management subsystem model，the weapon management subsystem model，the flight control subsystem model，the sensor management subsystem model and the fire control task machine subsystem model；secondly，based on the embedded real-time operating system VxWorks，this paper realizes the functional modules of each subsystem，and on this basis realizes the communication among them；finally，two sets of simulation results are analyzed in airattack.Simulation results show that：to ensure the stability and smoothness of the attack route，PL-8 is better in the air to air missile fire control attack，PL-12 is more suitable in the long-distance combat.

FCSS；VxWorks；proportional navigation guidance；pure-tracking；multi-task

V219

A

0367-6234（2015）09-0042-04

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.09.008

2014-04-02.

國家自然科學基金（61302002）.

高金艷（1989—），女，博士研究生；李冬輝（1962—），男，教授，博士生導師.

李冬輝，gjynpu＠126.com.