某制空型無人機武器系統數字仿真軟件設計

王培 金琳乘

針對制空型無人作戰飛機仿真演示驗證預先研究的需求，提出了一種武器系統數字仿真軟件設計方法，包含懸掛物管理分系統和機載武器系統兩部分內容，并通過測試驗證了武器控制管理邏輯的正確性，空空導彈彈道輸出數據的準確性。

無人機的自主作戰能力是無人機的最大特性，隨著科技的發展，無人機在整個作戰體系中扮演著越來越重要的角色是必然趨勢。針對未來戰爭需求，各國正積極探索開發無人系統之間的協同作戰能力。從目前的裝備能力和技術水平來看，現階段，無人機作為協同空戰系統中的作戰執行者，也是整個指揮控制環的終端環節，無人機的作戰能力對整個協同系統的作戰效能具有直接影響。在一次制空作戰中，無人機的戰術角色會根據戰場環境的變化，作為武器投放平臺具備中遠距武器自動投放能力。并且在必要時，可實現直接投放中距精確制導導彈攻擊敵先進戰機的戰術需求。因此，機載武器系統對提高無人機的作戰效能具有重要作用。

武器系統數字仿真軟件設計

武器系統數字仿真軟件主要模擬懸掛物管理系統及其所管理的飛機掛載武器系統，由懸掛物管理分系統仿真模塊和機載武器系統仿真模塊組成，具備多機控制能力，可控制紅、藍雙方各四架飛機（其中控制飛機數量通過輸入來源于總控臺的“紅、藍對抗數量”確定），每架飛機四個掛點，通過實時以太網與任務系統主控仿真模塊、視景仿真模塊和目標生成仿真模塊之間交聯，模擬武器與制空型無人機之間的接口通訊，對武器從掛載到上電、準備、發射、離機以及武器飛行彈道的全過程進行仿真，完成武器的發控管理以及武器投放后的彈道解算，并向視景仿真模塊輸出武器發射后的飛行彈道及內埋彈倉的開關狀態。

武器系統數字仿真模塊與航電系統在配套仿真驗證環境中的各個模塊交聯關系如圖1所示。

武器系統數字仿真軟件與任務系統主控仿真模塊、視景仿真模塊以及目標生成仿真模塊交聯，交聯數據如下：

a）與任務系統主控仿真模塊交聯，傳遞武器狀態數據、艙門狀態數據以及武器配置信息，并且傳遞機載武器控制信息、任務數據、中制導數據；

b）接收目標生成仿真模塊的真實目標數據作為導彈末制導目標數據參數；

c）向視景仿真模塊輸出導彈飛行狀態數據及艙門狀態數據。

為提高武器系統數字仿真軟件的復用性，仿真軟件采用C語言類的封裝形式，生成飛機懸掛物管理分系統類對象，通過接收總控臺的“紅、藍對抗數量”確定仿真飛機的數量，生產相應數量的懸掛物管理分系統類實例，達到同時實現仿真多架飛機武器系統的功能。

懸掛物管理分系統軟件仿真設計

武器系統中的懸掛物管理分系統接收由任務系統主控模塊發送的武器控制信息，控制機載武器系統選擇具體的武器占位并控制占位武器進行從參數裝訂、準備到正常發射的工作流程和狀態，并下發機載武器雷達彈、紅外彈所需裝訂的任務參數信息；向任務系統主控模塊傳遞武器系統的狀態數據以及艙門狀態數據。懸掛物管理分系統在得到懸掛物清單后通過任務系統主控模塊傳輸給地面站進行顯示；在導彈發射后向視景仿真模塊輸出導彈飛行狀態數據及艙門狀態數據；在導彈中末制導交班后，向彈道仿真程序轉發由目標生成仿真模塊生成的真實目標信息。

機載武器雷達彈、紅外彈的機上工作邏輯及飛行導彈解算等仿真功能，通過動態鏈接庫的方式提供給懸掛物管理分系統仿真軟件，仿真軟件根據工作模式，調用相應的API函數，完成參數的輸入，獲取武器工作狀態、導彈飛行數據。

對懸掛物管理分系統的核心功能需求進行分析：

（1）作為武器系統的主控計算機，能夠具備調用局域網內（實時網/以太網環境下）其它計算機中的彈道解算軟件的功能；

（2）可實現紅、藍對抗雙方各四架飛機、每架飛機4個掛點的武器仿真管理，武器類型為中遠距雷達制導導彈、近距紅外格斗導彈，其中左右彈倉可各內埋懸掛2枚空空導彈，具備混掛能力；

（3）負責艙門狀態管理，控制管理彈艙艙門開/閉，協調艙門開/閉和武器投放時機；

（4）負責武器清單管理、武器狀態管理、武器占位管理及武器故障管理；

（5）實現機載武器的發控管理功能，包含：供電控制、參數裝訂、地面自檢、空中準備、投放控制及安全性管理；具備導彈自動準備功能，能夠進行多枚導彈的同時準備；

（6）具備導彈發射后模擬數據鏈向空空導彈傳遞中制導信息，并接收其回傳的彈道數據以及武器狀態數據信息，并保證能夠實時的向視景系統進行傳輸；

（7）具備與任務系統主控仿真模塊、視景仿真模塊以及目標生成仿真模塊的交聯功能；

（8）具有可擴展接口，具備調用其它武器控制模塊功能以及預留武器相應計算模塊嵌入功能。

對懸掛物管理分系統仿真軟件核心功能需求分析的基礎上，按照軟件的內在邏輯關系及模塊化程序設計思想，把仿真軟件劃分為5個相對獨立又相互依存的計算機軟件部件（簡稱CSC），每個計算機軟件部件下又細化為多個計算機軟件單元（簡稱CSU）。在程序設計過程中，力求把計算機軟件部件之間的耦合關系降到最低，保證各個計算機軟件部件之間接口明確、簡練。各計算機軟件部件功能說明：

（1）仿真程序管理（SysProcess_Manage）：仿真程序管理，實現仿真軟件的運行，包括界面顯示、接口數據管理、懸掛物管理系統管理：

（2）顯示界面（SysProcess_Display）：提供仿真軟件所需要的操作顯示界面，調用仿真程序主框架，根據仿真結果和界面操作在仿真器上實時顯示軟件運行狀態、武器系統狀態、關鍵數據監控：

（3）以太網控制管理（SysProcess_Net）：獲取網絡服務，包括啟動、關閉網絡，接收、發送數據，獲取網管服務器狀態，執行仿真程序主框架等：

（4）懸掛物管理系統仿真（SysProcess_SMSSim）：仿真懸掛物管理系統功能，實現懸掛物管理系統仿真模型、武器管理和控制、艙門控制和仿真、雷達彈發控管理、紅外彈發控管理：

（5）與其他系統交聯（SysProcess_Systems）：從任務系統主控臺獲取命令和數據供轉換為仿真軟件各計算機軟件部件使用的數據和命令，獲取武器飛行數據和艙門狀態后向視景仿真系統發送。

懸掛物管理分系統仿真軟件的頂層結構見圖2。

懸掛物管理分系統仿真模型流程見圖3，軟件接口關系見圖4。

機載武器系統仿真軟件設計

機載武器系統仿真軟件作為武器系統仿真軟件的一個模塊，由懸掛物管理分系統仿真軟件進行調用，制空型無人機掛載的武器為兩型空空導彈，分別為中遠距雷達制導導彈、近距紅外格斗導彈。機載武器系統仿真軟件所需的任務數據與中制導、末制導數據均由懸掛物管理分系統負責轉發，接收懸掛物管理分系統的控制信息并按照控制邏輯回傳相應的狀態數據。

機載武器系統仿真軟件能夠對導彈的加溫、準備、發射、中制導（含中末制導交接）、末制導的整個工作過程進行模擬，完成彈道仿真計算，并輸出導彈彈道參數和截獲等信息。

對機載武器系統仿真軟件的核心功能需求進行分析：

（1）具備武器離梁后的彈道解算功能，周期性實時解算并輸出空空導彈的三自由度彈道和姿態等數據，并通過實時網傳輸；

（2）具備模擬空空導彈中制導數據鏈制導數據接收與導彈位置回傳功能；

（3）具有同時輸出多枚空空導彈彈道仿真能力；

（4）具備攻擊雙目標的仿真功能；

（5）能夠模擬導彈準備、發射、離機、空間運動、制導飛行、導引頭截獲目標、命中或偏離目標等狀態；

（6）具備武器掛機工作流程仿真功能；

（7）紅外制導導彈要求在現有產品基礎上達到數據鏈支持下的發射后截獲目標的能力。

對機載武器系統仿真軟件核心功能需求分析的基礎上，按照功能劃分，機載武器系統仿真軟件主要分為操作使用模塊、彈道仿真模塊兩部分：

（1）操作使用模塊：能夠完成導彈掛機時接收飛行任務信息，完成導彈加溫、準備、發射過程的模擬，在系統給出激勵時，能夠按照導彈的真實工作過程，延遲相應時間后給出響應。

（2）彈道仿真模塊：主要用于導彈整個自主飛行過程的模擬，能夠根據飛行任務信息，實現導彈不同工作模式下的飛行彈道計算。雷達制導型導彈仿真軟件在收到“發射”指令時，能夠根據輸入的發射條件，對雷達制導型導彈攻擊目標時的飛行特性進行彈道仿真和模擬，同時輸出特定的彈道參數和仿真結果。

機載武器系統仿真軟件結構見圖5。

空導彈仿真軟件根據外部提供的控制時序進行工作，并根據載機、目標信息進行彈道的仿真計算。

武器系統數字仿真軟件設計測試驗證

制空型無人作戰飛機武器系統數字仿真軟件開始運行后，在總控制臺的控制下，通過實時網，接收任務系統綜合管理仿真模塊的命令控制進行彈艙內武器數據加載，加載完成后上報武器配置清單，并對加載的武器進行參數裝訂。武器發射后調用彈道解算函數實時解算武器彈道，模擬中制導過程向空空導彈傳遞中制導數據信息，并將飛行數據與內埋彈倉艙門的開關狀態發送給視景仿真模塊，進行顯示。分別對單機測試狀態、單機對抗狀態、多機對抗狀態進行測試驗證。

單機測試狀態試驗

在紅方或藍方單機狀態下由試驗總控臺模擬目標，載機掛載兩枚空空導彈進行攔截模式試驗。導彈掛機狀態由火控系統傳輸任務數據參數，導彈離機后由本機發送中制導數據，在末制導導引頭開機后，懸掛物管理分系統將目標（目標仿真器中目標位置信息）真實坐標發送給武器仿真系統。主要驗證武器管理邏輯、空空導彈彈道輸出數據和命中狀態。

試驗中設置了多種目標位置和航線攻擊，均能有效完成攻擊任務，驗證了武器管理邏輯正確，空空導彈彈道輸出數據正確。具體試驗結果見圖6。

單機對抗狀態試驗

在紅方、藍方各一架機狀態下進行對抗測試，雙方載機各掛載兩枚空空導彈進行攔截模式試驗。導彈掛機狀態由火控系統傳輸任務數據參數，導彈離機后由本機發送中制導數據，在末制導導引頭開機后，懸掛物管理分系統將目標（紅、藍方目標機位置信息）真實坐標發送給武器仿真系統。主要驗證紅藍雙方單機狀態下武器管理邏輯、空空導彈彈道輸出數據和命中狀態。

試驗中設置了多種目標位置和航線對抗攻擊，均能有效完成攻擊任務，驗證了紅藍雙方武器管理邏輯正確，空空導彈彈道輸出數據正確。具體試驗結果見圖7。

多機對抗狀態試驗

在紅方、藍方各兩架機狀態下進行對抗測試，雙方載機各掛載兩枚空空導彈進行攔截模式試驗。導彈掛機狀態由火控系統傳輸任務數據參數，導彈離機后由本機發送中制導數據，在末制導導引頭開機后，懸掛物管理分系統將目標（紅、藍方目標機位置信息）真實坐標發送給武器仿真系統。主要驗證紅藍雙方多機狀態下武器管理邏輯、空空導彈彈道輸出數據和命中狀態。

試驗中設置了多種目標位置和航線多機對抗攻擊，均能有效完成攻擊任務，驗證了紅藍雙方多機狀態武器管理邏輯正確，空空導彈彈道輸出數據正確。具體試驗結果見圖8。

結論

制空型無人機武器系統數字仿真軟件是在深入分析課題功能需求的基礎上進行設計和開發，并在試驗驗證中采用多種目標生成方法和載機飛行狀態，均能有效完成攻擊任務，驗證了武器控制管理邏輯的正確性，空空導彈彈道輸出數據的正確性。能夠滿足制空型無人機課題使用需求。