某型導引頭半物理仿真系統(tǒng)設計

2015-07-01 07:57:44王歡，白楊，江晟

兵器裝備工程學報 2015年5期

王歡，白楊，江晟

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033)

全捷聯(lián)電視導引頭是圖像制導武器的核心部分，其性能直接影響導彈的制導及飛行控制信號，對導彈的精確末制導打擊性能起著關鍵作用。作為精確制導武器研制過程中的重要過程，半物理仿真能夠在地面環(huán)境下，較為真實反映目標探測、制導控制等部分構(gòu)成的全系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)特性，進而對系統(tǒng)的整體性能進行驗證和評價，大約有90%左右的導彈系統(tǒng)評估參數(shù)來自半物理仿真實驗［1-3］。

張凱［4］、張崇斌［5］等通過模擬器的方式實現(xiàn)對導引頭中的測試，實現(xiàn)條件需要軟硬件配合，較為復雜并且缺乏直觀性;邵立勇［6］等通過Virtools 實現(xiàn)了導彈導引頭攻擊直升機的動態(tài)演示仿真，齊竹昌［7］等通過Vega Prime 演示了導引頭攻擊目標過程中飛行姿態(tài)的變化進行彈道分析和設計，視景工作僅用于演示，未能在實際測試閉環(huán)中發(fā)揮作用; 靳文平［8］等通過紅外圖像注入系統(tǒng)實現(xiàn)對紅外導引頭的半物理測試，注入系統(tǒng)針對性較強，不具普適性。而可視化仿真技術(shù)把仿真中的數(shù)字信息變?yōu)橹庇^的、以圖形圖像形式表示出來，在航空航天、軍事中發(fā)揮著越來越重要的作用［9］。在對導引頭半物理系統(tǒng)基礎上，本文對基于Unity3D 的可視化仿真系統(tǒng)進行了研究，建立了可視化仿真和典型目標模型，分析了半物理仿真系統(tǒng)的基本組成、實現(xiàn)流程及關鍵技術(shù)。最后建立起一套可視化半物理仿真平臺，成功完成了導引頭的閉環(huán)測試。

1 半物理系統(tǒng)方案設計及組成

全捷聯(lián)電視導引頭半物理仿真系統(tǒng)由可視化仿真系統(tǒng)、導引頭、制導系統(tǒng)、姿態(tài)自動駕駛儀、舵機、模型仿真機、轉(zhuǎn)臺及IMU 組成，如圖1 所示。

圖1 仿真系統(tǒng)框架圖

1.1 層流區(qū)、紊流區(qū)氣動加熱計算

圖2 視景系統(tǒng)位置示意圖

可視化仿真系統(tǒng)主要包括可視化仿真機、投影儀和投影幕，為導引頭提供擬真的作戰(zhàn)環(huán)境，其中搭載導引頭的轉(zhuǎn)臺與可視化仿真系統(tǒng)的相對位置關系如圖2 所示。模擬戰(zhàn)場環(huán)境基于Unity3D 實現(xiàn)，主要包括戰(zhàn)場地形創(chuàng)建(圖3)、目標建立及配置(圖4)、環(huán)境參數(shù)(天空、地面、光照度等)配置(圖5)，最后導出可執(zhí)行程序文件。

圖3 戰(zhàn)場地形圖

圖4 典型目標圖

圖5 戰(zhàn)場環(huán)境中的天空、地面及強弱光照圖

1.2 制導律

針對全捷聯(lián)電視導引頭特點，本文采用彈體追蹤法作為制導律。假定導彈為一可控質(zhì)量的質(zhì)點M，以恒定的速度V飛向目標T，如圖6 所示，彈體追蹤法體現(xiàn)的導彈與目標的相對運動位置關系為

式(1)中:r 導彈與目標相對距離;V、VT分別代表導彈、目標的速度;q 代表彈體縱軸與目標速度矢量夾角;α 導彈攻角;?為俯仰角;θ 為彈道傾角。

本文導彈打擊靜止坦克目標，即VT=0，式(1)可簡化為

圖6 視景系統(tǒng)位置示意圖

1.3 全捷聯(lián)電視導引頭

針對導彈高速打擊特點，圖像處理平臺選取DSP-FPGA復合架構(gòu)，如圖7 其中FPGA 板(第2 層)提供各種數(shù)據(jù)接口，DSP(第1 層)主要負責對圖像處理算法的運算。此架構(gòu)系統(tǒng)處理幀頻可達50 Hz，其快速性滿足導彈末制導指令需求。

圖7 全捷聯(lián)電視導引頭及圖像跟蹤器硬件平臺

2 可視化仿真標定

小孔成像原理如圖8 所示，OXY 表示光學平面，O 表示光心，oxy 表示CCD 成像平面坐標，P 表示慣性系下的真實目標，oxy 下的p 表示目標在像平面的像。

圖8 小孔成像原理示意圖

根據(jù)相機基本參數(shù)，CCD 面陣1 024 ×768 pixel，象元大小s=5.5 μm，焦距f=13.5 mm，目標距離光學成像中心w=1.2 km，目標高度P=2.3 m，因此根據(jù)式(3)可計算目標在成像平面上大小

計算可得目標成像大小p=25.875 μm，則目標成像占像平面像素數(shù)為p/s =5 pixel，通過Matlab 采集的目標大小適時調(diào)整投影儀投射大小以及幕布的距離(圖9)，最終確定導引頭魚投影之間距離L1=0.5 m，投影儀與幕布之間距離為L2=2.3 m，導引頭傳輸?shù)拿摪辛繑?shù)據(jù)信息通過彈體動力學模型進行數(shù)據(jù)直接補償，進而確定圖像中心位置。

圖9 Matlab/Simulink 采集的目標圖像

3 仿真分析

針對該全捷聯(lián)電視導引頭項目需求進行半物理仿真，仿真環(huán)境及條件如表1 所示。

表1 半物理仿真條件

在仿真試驗中:

1)通過彈體動力學模型仿真計算機確定彈體及目標的初始位置、姿態(tài)，通過RS232 傳送至可視化仿真機，由投影儀投影至幕布展現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境。

2)通過導引頭上位機對導引頭進行自檢、對時、工作狀態(tài)確定等指令，進行人工目標識別及鎖定，使能導引頭進入目標跟蹤狀態(tài)。

3)啟動飛行仿真，制導系統(tǒng)通過接收導引頭目標脫靶量信息導向并最終摧毀目標，仿真結(jié)束。

在整個目標打擊過程中，導引頭跟蹤目標準確、穩(wěn)定，跟蹤誤差(目標充滿視場之前)在3 個像素之內(nèi)，目標打擊視頻序列如圖10 所示。

圖11 展現(xiàn)了導彈的縱向平面內(nèi)彈道曲線，如圖12 所示，數(shù)字仿真和半物理仿真條件下的導引頭脫靶量數(shù)據(jù)對比可知，導引頭平面誤差角在0.09°之內(nèi)。圖13 顯示在俯仰方向，半物理彈目視線角速度值與理論仿真值之差小于0.17 deg/s，圖14 顯示過載指令ayc≤2 g，滿足彈體制導控制指標需求，能夠?qū)崿F(xiàn)導引頭的精確打擊。