基于GPS/SINS制導控制系統的半實物仿真系統設計

羅 欣，呂 鳴，郭鴻武

(國防科學技術大學機電工程與自動化學院,長沙 410073)

基于GPS/SINS制導控制系統的半實物仿真系統設計

羅 欣，呂 鳴，郭鴻武

(國防科學技術大學機電工程與自動化學院,長沙 410073)

介紹了基于GPS/SINS的制導炸彈制導控制系統和半實物仿真系統組成,詳細闡述了半實物仿真試驗的目的、內容、試驗原理及主要仿真設備的各項功能。設計了半實物仿真軟件及半實物仿真試驗模型所加的誤差干擾,搭建半實物仿真環境,開展了半實物仿真試驗。試驗結果表明:半實物系統能有效模擬制導炸彈飛行過程,對制導炸彈制導控制系統進行了全面仿真驗證,為飛行靶試試驗提供了技術支撐,對制導炸彈飛行彈道評估和保證型號項目研制進度有重要的意義。

制導炸彈；制導控制系統；半實物仿真；仿真軟件

0 引言

制導炸彈是一種空對地的航空制導彈藥,是精確制導武器的重要組成部分,是戰斗轟炸機、強擊機等空中力量對地(海)面建筑物、橋梁、中小型指揮所、機場跑道、防空雷達陣地、水面艦艇等多種軍事目標實施精確打擊的重要手段。在冷戰后的歷次局部戰爭中,精確制導炸彈被廣泛使用,取得了輝煌的作戰效果。它的主要特點是結構簡單、使用方便、命中精度較高、造價低、效費比高[1-3]。

制導控制系統是制導炸彈上的主要分系統,也是實現制導炸彈作戰性能的關鍵分系統。在制導炸彈制導控制系統的研制過程中，有限的飛行試驗不能充分暴露問題,同時受到環境條件的限制,無法替代系統仿真,尤其是半實物仿真。而且,通過半實物仿真可以避免武器系統數學仿真中復雜非線性時變環節的建模,檢驗各參試設備的功能和性能,考核設備間的協調性。本文設計了某型制導炸彈的半實物仿真系統,詳細闡述了系統的組成和原理,并設計了相應的仿真軟件[4-5]。

制導炸彈制導控制系統半實物仿真是集仿真建模、高性能實時計算、實時運行控制、高速實時通信于一體的試驗驗證[6]。半實物仿真系統將彈載設備接入仿真系統中,能在地面條件下盡可能地模擬制導炸彈在空中的飛行過程,預測制導控制系統的控制效果。由于仿真系統中包含了執行機構實物,因而能夠反映出執行機構中存在的飽和、間隙、死區等非線性特性給制導控制系統帶來的影響。通過半實物仿真,能夠對制導控制系統的整體性能進行驗證和評價,檢驗系統軟、硬件設計實現的正確性,對制導控制律的正確性與有效性進行驗證,為完善設計提供依據,以保證系統達到總體的指標要求。

1 制導炸彈制導控制系統組成

制導控制系統主要由慣性測量裝置(IMU)、彈載計算機(包括飛控計算機和導航計算機)、衛星接收機、舵系統等組成。圖1所示為制導控制系統(實框部分)原理及與內外部連接示意圖。

圖1 制導控制系統組成原理圖Fig.1 Schematic diagram of the composition principle of the guidance and control system

2 制導炸彈制導控制系統半實物仿真試驗目的

1)優化制導控制系統的參數設計。通過系統半實物仿真閉環試驗,驗證制導律設計的正確性,優化控制參數。

2)檢驗制導控制系統軟、硬件功能的協調性。通過半實物仿真試驗驗證軟件功能的完善性,系統各部件之間的連接關系、系統軟件與硬件接口關系、系統的極性、供電關系的正確性。

3)驗證制導控制系統的穩定性和抗干擾能力。在系統指標基本滿足要求的基礎上,在仿真系統中加入各種隨機干擾和環境條件,特別是各種邊界條件,進行各種干擾的靈敏度分析,驗證制導控制系統的穩定性和抗干擾能力。

3 半實物仿真試驗系統的組成及工作原理

半實物仿真又稱硬件在回路仿真,是將計算機、數學模型、系統實際部件與物理效應裝置相結合的仿真方式。半實物仿真的基本思想是用實物代替那些不準確的數學模型,能克服某些部件由于建模不準造成的仿真誤差,在很大程度上避免了數學仿真的不足,是仿真技術中置信度較高的一種方法。從系統的觀點來看,半實物仿真由于允許在系統中接入部分實物,以考察檢驗該裝置是否滿足系統整體性能指標,從而成為提高系統設計可靠性和研制質量的必要手段[7-8]。

制導控制系統半實物仿真遵循將制導控制系統部件和物理效應設備逐步加入仿真閉環中的原則,閉環規模由小到大,直至形成完整的半實物仿真平臺。在試驗時,將彈載計算機、舵系統、IMU依次接入閉環系統,完整的半實物仿真系統結構如圖2所示。

圖2 半實物仿真系統組成圖Fig.2 Composition diagram of the hardware in the loop simulation system

在飛行器動力學仿真機上建立飛行器的動力學和運動學模型;系統上電后,彈載計算機按正常流程通過GJB289A總線接收總控/火控模擬計算機發送的目標參數和導航信息初始值;慣性測量裝置安裝在轉臺上,轉臺與飛行器動力學仿真機通過光纖連接;“投放”指令后,飛行器動力學仿真機將計算出的彈體姿態角速度送給轉臺控制器,控制轉臺運動,安裝在轉臺上的慣性測量裝置將敏感到的彈體角速度信息輸出給飛行器動力學仿真機;飛行器動力學仿真機將解算出的比力與慣性測量裝置輸出的飛行器角速度信息進行融合,傳送給彈載計算機;彈載計算機進行導航解算;衛星接收機接收GPS模擬器發送的模擬GPS信號,并將信息發給彈載計算機進行組合導航解算;彈載計算機進行制導律解算,通過D/A轉換將解算出的舵控制指令送給舵系統,并通過A/D采集卡采集舵系統的舵機反饋信號用于彈體模型解算;數據采集系統記錄仿真試驗數據,供試驗后分析比對。

4 主要仿真設備

4.1 飛行器動力學仿真機

飛行器動力學仿真機選用德國dSPACE仿真系統,該系統是基于實時半實物仿真技術的控制系統開發及測試的工作平臺,系統既包括軟件,又包括硬件。dSPACE系統的軟件與Matlab/Simulink完全無縫連接,高度自動化的代碼生成、下載和友好的試驗、調試軟件環境使得應用開發過程快速易行;專用硬件具有高速計算和信號I/O能力,能夠很好地滿足制導控制系統半實物試驗和測試需求。飛行器動力學仿真機組成包括:

1)實時仿真系統軟件:

a)仿真建模工具Matlab&Simulink;

b)實時接口驅動程序模型庫RTI;

c)代碼生成和編譯工具;

d)仿真監控管理軟件。

2)實時仿真系統硬件:

a)PowerPC處理器;

b)AD板卡——DS2103;

c)DA板卡——DS2003;

d)DIO板卡——DS4003;

e)RS232/422/485串口卡——DS4201S;

f)MIL-STD-1553B總線——DS4501;

g)光纖反射內存網接口板——DS4201。

4.2 臥式三軸轉臺

臥式三軸轉臺是在實驗室條件下模擬制導炸彈在空中三軸姿態運動的仿真設備。在半實物仿真系統中,三軸轉臺接收由飛行器動力學仿真計算機通過光纖反射內存網接口卡輸出的三軸姿態角速度信息,驅動框架轉動,以模擬飛行器運動姿態。仿真時外框對應俯仰角,中框對應偏航角,內框對應滾轉角,慣性測量裝置安裝在內框[9-10]。

4.3 GPS信號模擬器

GPS信號模擬器用來在半實物仿真試驗中給GPS接收裝置提供信號源。

GPS信號模擬器由信號發生器、控制主機和實時網絡組成，具有高動態、高精度的信號模擬質量,可配置高動態測試場景。通過反射內存網絡,可以實時接收載體運動軌跡,實時生成衛星導航數據,能滿足半實物仿真的需求。

4.4 舵機負載模擬器

舵機負載模擬器用于模擬舵機的鉸鏈力矩加載。為了加載方便,通常將舵面卸下,直接將力矩加載到舵機輸出軸上。

4.5 總控及載機火控模擬分系統

總控及載機火控模擬分系統主要由總控及載機火控模擬軟件、工控機、以太網接口、RS232/422串口、GJB289A總線、數字離散量IO板卡和發射投放模擬裝置組成。主要功能是完成系統仿真試驗前主要設備啟動自檢、初始化參數設置、模擬發射前載機飛行狀態和火控系統工作流程,控制并監視試驗過程中設備的運行狀態。其在綜合性能實驗室中的主要作用是:

1)總檢查作用,保證試驗運行前各設備狀態良好;

2)總控制作用,發起和終止各設備和參試產品運行;

3)初始參數統一作用,保證彈體動力學模型、彈載計算機產品裝訂參數、試驗物理效應設備在發射零秒時刻初始參數一致;

4)仿真時刻同步作用,保證彈體動力學模型實時仿真計算、彈載計算機產品解算、物理效應設備運行在“發射零秒”時刻的時鐘同步性。

5 半實物仿真系統軟件設計

仿真軟件在Matlab平臺下進行開發,采用模塊化設計,主要包括轉臺控制模塊、數據通信模塊、彈體信息模塊等。

轉臺控制模塊:主要實現對轉臺的實時控制,模擬制導炸彈的飛行狀態;

數據通信模塊:主要完成A/D及D/A卡初始化,DIO卡初始化、串口初始化以及模擬GPS數據及加表數據的發送;

彈體信息模塊:主要包括彈體運動學模型、彈體動力學模型、空氣及大氣模型、空氣動力和動力矩模型、角度關系、彈目相對運動模型。微分方程的求解算法選擇定步長型的四階龍格庫塔法(RK4)。

6 半實物仿真數學模型所加誤差

為了更好地模擬制導炸彈使用過程的真實環境,在仿真數據模型中加入了誤差干擾,主要誤差干擾如下:

風干擾:為從嚴考核系統的能力,設定了以下四種較嚴酷的風干擾情況:

1)正側風:幅值可變,與制導炸彈發射方向垂直,幅值隨高度呈線性變化；

2)順風:幅值可變,與制導炸彈發射方向平行,幅值隨高度呈線性變化；

3)逆風:幅值可變,與制導炸彈發射方向相反,幅值隨高度呈線性變化；

4)陣風:與發射方向垂直的風,作用10s后歸零,再過10s后成負值,作用10s后又回零。風速隨高度線性變化。

氣動力和氣動力矩誤差:氣動力吹風試驗過程以及試驗數據處理過程等給空氣動力和空氣動力矩數據帶來誤差,在半實物仿真系統中采用在彈體的動力學仿真模型,直接在插值計算出的空氣動力和空氣動力矩系數上乘系數的方法。

初始姿態角誤差:對于機載武器,飛機上的發射裝置在投放過程中會造成彈體離開發射架時的姿態跟掛飛時的姿態有區別,同時飛機投彈時的飛行姿態也會與設定的狀態有一定的區別。在半實物仿真時,在轉臺進行相應設置。

7 半實物仿真結果

通過建立的半實物仿真系統,對某型制導炸彈制導控制系統進行仿真試驗。驗證了制導控制系統功能實現正常、全系統接口匹配,工作協調,系統表現出良好的穩定性和魯棒性,滿足各項性能指標要求。不加任何干擾時,彈道仿真結果如圖3、圖4、圖5所示。此外,在試驗中還進行了氣動參數拉偏、風干擾、初始條件拉偏等誤差條件的彈道仿真,驗證了制導炸彈的穩定性和抗干擾能力。

圖3 側偏、攻角曲線Fig.3 Side offset and angle of attack curve

圖4 側滑角、俯仰角曲線Fig.4 Sideslip angle and pitch angle curve

圖5 偏航角、滾轉角角曲線Fig.5 Yaw angle and roll angle curve

制導炸彈空中飛行姿態穩定,制導精度較高,較好地模擬了制導炸彈空中飛行及命中目標過程,有很高的仿真置信度。

8 結論

本文介紹了制導控制系統的組成及半實物仿真試驗的目的、內容和試驗原理。提出了半實物仿真系統的設計方案,詳細闡述了系統的工作流程。設計了相應的仿真軟件,完成了制導控制系統半實物仿真試驗,并對結果進行了分析。該系統能有效模擬制導炸彈飛行過程,對制導炸彈制導控制系統進行了全面仿真驗證,為飛行靶試試驗提供技術支撐。

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Design of Hardware-in-the-Loop Simulation System Based on GPS/SINS Guidance Control System

LUO Xin, LV Ming, GUO Hong-wu

(Department of Mechanical and Electrical Engineering and Automation, National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

The composition of the guidance and control system and the hardware in the loop simulation system based on GPS/SINS guided bomb are introduced in this paper, expounds the purpose, the content, the test principle and the function of the main simulation equipment of the hardware in the loop simulation. Design of hardware in the loop simulation software and hardware in the loop simulation test model with error interference , the hardware in the loop simulation environment is set up by the hardware in the loop simulation test. Test results show that: semi physical system can effectively simulate the flight process of guided bomb, on the guidance control system of guided bomb were comprehensive simulation validation, to provide technical support for flying target pilot test, on flight trajectory of guided bombs assessment and assurance model project development progress has important significance.

Guided bomb; Guidance control system; Hardware in the loop simulation; Simulation software

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.019

2016-05-21；

2016-07-04。

羅欣(1982-)，男，碩士，主要從事制導控制及仿真方面的研究。E-mail: luoxin20180719@163.com

TP271

A

2095-8110(2017)01-0110-05