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

王　瓊,周軍偉,劉　斌,王宏波,莊志洪

(中國空空導(dǎo)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(jì)*

王瓊,周軍偉,劉斌,王宏波,莊志洪

(中國空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽471009)

摘要:根據(jù)一體化引信設(shè)計(jì)過程中對(duì)起爆控制算法和引戰(zhàn)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析和評(píng)估的需求,設(shè)計(jì)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(chǔ)5個(gè)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(duì)多種目標(biāo)的彈目交會(huì)及引戰(zhàn)配合過程進(jìn)行可視化仿真和數(shù)字仿真,實(shí)現(xiàn)了起爆控制算法的引戰(zhàn)配合效率評(píng)估,驗(yàn)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(biāo)以多種類、大范圍、高速度、強(qiáng)機(jī)動(dòng)等方式出現(xiàn),使得彈目交會(huì)情況變得越來越復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)全方位交會(huì)條件下的最佳起爆控制,基于引信、目標(biāo)信息和制導(dǎo)信息利用的GIF(guidance integrated fuzing)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并日益受到人們的廣泛關(guān)注,成為先進(jìn)制導(dǎo)武器引信技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向[1-2]。

一體化引信功能的升級(jí)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(fù)雜,一體化引信引戰(zhàn)性能評(píng)估成為一體化引信研究和應(yīng)用過程中的一個(gè)重要課題。在常規(guī)導(dǎo)彈引信引戰(zhàn)性能評(píng)估方面,美陸軍導(dǎo)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(yàn)化的防空導(dǎo)彈殺傷能力終端仿真軟件(RLEGS),RLEGS可對(duì)多種交會(huì)條件下的導(dǎo)彈引戰(zhàn)性能進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證。相對(duì)于常規(guī)導(dǎo)彈引信,一體化引信性能的評(píng)估和驗(yàn)證將更為困難,國內(nèi)外在此方面的研究還未見相關(guān)報(bào)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(píng)估[3-4]。

1仿真軟件的設(shè)計(jì)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(dǎo)和引信信息,完成雷達(dá)制導(dǎo)GIF引信系統(tǒng)和紅外成象制導(dǎo)GIF引信系統(tǒng)的性能驗(yàn)證、引戰(zhàn)系統(tǒng)方案評(píng)估和炸點(diǎn)控制算法設(shè)計(jì)與分析,實(shí)現(xiàn)彈目交會(huì)、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(chǎng)景、圖象序列等方式進(jìn)行存儲(chǔ),并用交會(huì)信息數(shù)據(jù)庫對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理。

在軟件系統(tǒng)中,對(duì)彈目交會(huì)過程和引戰(zhàn)配合過程進(jìn)行準(zhǔn)確描述是引戰(zhàn)配合效能計(jì)算和一體化引信性能分析驗(yàn)證的基礎(chǔ)。彈目交會(huì)過程由相對(duì)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(jī)的交會(huì)數(shù)據(jù)文件確定,交會(huì)數(shù)據(jù)文件中包含交會(huì)條件、導(dǎo)引頭或引信的采樣參數(shù)、測(cè)量信息等,軟件中對(duì)此兩種情況提供支持。在純軟件仿真時(shí),模擬并輸出制導(dǎo)信息和引信信息。根據(jù)模擬的制導(dǎo)、引信信息或樣機(jī)的測(cè)量信息,用戶可基于軟件提供的炸點(diǎn)控制模型接口設(shè)計(jì)相應(yīng)的炸點(diǎn)控制模型,對(duì)炸點(diǎn)控制算法或一體化引信性能進(jìn)行分析。

對(duì)引戰(zhàn)配合過程的描述需建立目標(biāo)三維實(shí)體模型、面元模型、引信探測(cè)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(yīng)的彈、目、引信、戰(zhàn)斗部模型組合,并根據(jù)彈目交會(huì)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(huì)和引戰(zhàn)配合過程可視化仿真。

模擬生成的制導(dǎo)信息、引信信息和交會(huì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于不同的數(shù)據(jù)文件中,一體化引信樣機(jī)的交會(huì)數(shù)據(jù)及測(cè)量信息也以數(shù)據(jù)文件形式存儲(chǔ)并可與軟件平臺(tái)一起完成引戰(zhàn)配合可視化仿真。在交會(huì)條件和炸點(diǎn)參數(shù)相同的情況下,可對(duì)純軟件仿真和半實(shí)物仿真的一致性進(jìn)行驗(yàn)證。在軟件平臺(tái)和一體化引信樣機(jī)協(xié)調(diào)一致的前提下,可利用軟件平臺(tái)對(duì)一體化引信樣機(jī)的炸點(diǎn)控制算法進(jìn)行分析或基于一體化引信樣機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行炸點(diǎn)控制算法設(shè)計(jì)。

2仿真軟件的設(shè)計(jì)

2.1　功能模塊設(shè)計(jì)

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(chǔ)5個(gè)模塊進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),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(dǎo)彈參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)、戰(zhàn)斗部參數(shù)、交會(huì)參數(shù)、炸點(diǎn)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(duì)應(yīng)目標(biāo)、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗部、炸點(diǎn)控制模型和交會(huì)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(dǎo)引信息、雙模探測(cè)信息,根據(jù)炸點(diǎn)控制模型計(jì)算炸點(diǎn)參數(shù),并利用計(jì)算得到的炸點(diǎn)參數(shù)或用戶輸入的彈道參數(shù)和炸點(diǎn)參數(shù)起爆戰(zhàn)斗部,實(shí)時(shí)計(jì)算命中點(diǎn)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(cè)量參數(shù)或炸點(diǎn)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(hào),實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部起爆、殺傷元飛散、命中目標(biāo)過程的可視化,并對(duì)命中點(diǎn)參數(shù)和引戰(zhàn)配合效能進(jìn)行計(jì)算。

4)性能分析模塊。本模塊對(duì)基于主程序計(jì)算得到炸點(diǎn)參數(shù)和用戶輸入的導(dǎo)引頭測(cè)量參數(shù)/炸點(diǎn)參數(shù)起爆戰(zhàn)斗部后引戰(zhàn)配合效能的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同交會(huì)條件下的起爆控制算法和引戰(zhàn)系統(tǒng)性能的分析和驗(yàn)證。

5)信息存儲(chǔ)模塊。本模塊對(duì)輸入?yún)?shù)、炸點(diǎn)參數(shù)、接口模塊的輸入/輸出信息以及性能分析/驗(yàn)證模塊中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ),以便對(duì)不同輸入?yún)?shù)下的引戰(zhàn)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析對(duì)比。

2.2　交會(huì)彈道的生成

如圖2,由給定初始彈目距離R和目標(biāo)在彈體坐標(biāo)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(duì)速度在坐標(biāo)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(biāo)系內(nèi)的脫靶方位φw,脫靶量ρ,則彈體坐標(biāo)系內(nèi)脫靶點(diǎn)P的位置為:

(3)

彈體坐標(biāo)系內(nèi)目標(biāo)T的位置為:

(4)

則經(jīng)過給定脫靶點(diǎn)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(dǎo)信息主要包括多普勒頻率、導(dǎo)引頭天線軸(光軸)與彈軸夾角,導(dǎo)引頭天線軸(光軸)相對(duì)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(duì)于雷達(dá)制導(dǎo)GIF引信,導(dǎo)引頭輸出的多普勒頻率可利用下式模擬:

(6)

式中:λ為導(dǎo)引頭工作波長(zhǎng);R(t)為彈目距離;φr(t)為彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與彈目連線的夾角;vr(t)為彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

2)彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度vr

利用多普勒頻率,可以計(jì)算得到彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度vr(t):

(7)

在導(dǎo)引頭失控前,相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度始終指向目標(biāo),通常認(rèn)為此時(shí)的φr(t)=0,所以:

(8)

3)導(dǎo)引頭天線軸(光軸)與彈軸夾角Ω(t)

利用導(dǎo)引頭天線軸(光軸)相對(duì)于彈軸的高低角α(t)和方位角β(t),可得到導(dǎo)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(dǎo)航系數(shù)。

q′(t)由導(dǎo)引頭天線隨動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)方程得到。

5)脫靶方位ω

脫靶方位可利用目標(biāo)丟失前導(dǎo)引頭測(cè)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(duì)于雷達(dá)制導(dǎo)GIF引信,彈目距離R(t)由導(dǎo)引頭測(cè)得。

2.4　目標(biāo)、導(dǎo)彈建模

建立精確的目標(biāo)三維模型是制導(dǎo)中心和觸發(fā)點(diǎn)定義的基礎(chǔ),是命中點(diǎn)參數(shù)識(shí)別和命中數(shù)統(tǒng)計(jì)的前提。為便于計(jì)算命中點(diǎn)參數(shù)且又具備較好的可視化效果,利用OpenGL對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)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(shí)建立該目標(biāo)的面元模型描述,用于觸發(fā)點(diǎn)、命中點(diǎn)等參數(shù)的計(jì)算和顯示。在彈目交會(huì)過程中,目標(biāo)實(shí)體模型、目標(biāo)面元模型、觸發(fā)點(diǎn)、命中點(diǎn)同步運(yùn)動(dòng)、同步顯示。如圖3分別為長(zhǎng)空靶機(jī)的實(shí)體模型、面元模型及實(shí)體模型和面元模型共同顯示的效果。

圖3　長(zhǎng)空靶機(jī)的實(shí)體模型和面元模型

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

導(dǎo)彈三維模型的建立要相對(duì)簡(jiǎn)單一些,無需考慮構(gòu)成導(dǎo)彈的面元參數(shù)及其變化情況,考慮戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)參數(shù)及破片運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算的需要,軟件中只需保留導(dǎo)彈質(zhì)心運(yùn)動(dòng)參數(shù),因此可用平面、圓柱、圓錐、圓臺(tái)等基本幾何體組合構(gòu)成導(dǎo)彈三維實(shí)體模型。

2.5　命中點(diǎn)參數(shù)計(jì)算

引戰(zhàn)配合效果分析和評(píng)估是基于命中目標(biāo)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(jì)算來進(jìn)行的,命中點(diǎn)參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算是上述參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)。

圖4　導(dǎo)彈三維實(shí)體建模

戰(zhàn)斗部起爆后,任一時(shí)刻任一殺傷元的空間位置由起爆點(diǎn)位置、該殺傷元的運(yùn)動(dòng)方向矢量、該殺傷元的動(dòng)態(tài)初速以及速度衰減規(guī)律決定,基于殺傷元的實(shí)時(shí)位置參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及目標(biāo)面元模型參數(shù),即可判斷該殺傷元是否命中目標(biāo)、命中目標(biāo)的時(shí)刻及命中點(diǎn)參數(shù)。

在算法設(shè)計(jì)時(shí),可把每一枚殺傷元的運(yùn)動(dòng)過程看作是一條以戰(zhàn)斗部中心為起點(diǎn)的線段不斷延長(zhǎng)的過程,在每個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)線段的延長(zhǎng)量由殺傷元?jiǎng)討B(tài)飛散速度決定,延長(zhǎng)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(duì)各種目標(biāo)的外形參數(shù)分別定義其包圍球,包圍球半徑由目標(biāo)外形參數(shù)自動(dòng)確定,也支持由用戶直接輸入。破片飛散過程中未進(jìn)入包圍球的破片均不作命中參數(shù)計(jì)算,由此可以大大降低運(yùn)算量。首先用外層包圍球與各殺傷元做重疊測(cè)試,重疊的殺傷元再逐一與內(nèi)層各部件包圍球做重疊測(cè)試,與內(nèi)層包圍球重疊的殺傷元再做命中參數(shù)計(jì)算。圖5為基于多層包圍球計(jì)算命中參數(shù)的可視化過程。

圖5　基于多層包圍球計(jì)算命中參數(shù)

2.6　軟件界面設(shè)計(jì)

軟件界面設(shè)計(jì)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(dòng)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(huì)場(chǎng)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(huì)過程中采樣點(diǎn)參數(shù)記錄、炸點(diǎn)參數(shù)估計(jì)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(huì)的初始參數(shù)、估計(jì)的脫靶參數(shù)、詳細(xì)的命中點(diǎn)參數(shù)、命中結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(duì)多次仿真的引戰(zhàn)配合效率等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并寫入性能分析數(shù)據(jù)文件?；诖藬?shù)據(jù)文件和圖8所示命中點(diǎn)分布圖,可對(duì)引戰(zhàn)配合效果進(jìn)行直觀分析。

圖6　軟件界面

圖7　性能分析

圖8　命中點(diǎn)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(jì)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(duì)一體化引信系統(tǒng)起爆控制算法和引戰(zhàn)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析和評(píng)估。該軟件采用模塊化設(shè)計(jì),預(yù)留起爆控制算法模塊的接口,可對(duì)不同信息利用情況下的炸點(diǎn)控制模型進(jìn)行驗(yàn)證。

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收稿日期:2014-09-14

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

中圖分類號(hào):TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)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