紅外成像制導防空導彈半實物仿真方法研究

王超磊,杜 漸,石建華

(1.北京仿真中心 航天系統仿真重點實驗室,北京 100854;2.北京仿真中心 北京市復雜產品先進制造系統工程技術研究中心,北京 100854)

0 引言

隨著紅外探測技術的發展,紅外成像制導已成為防空導彈制導體制發展的重要方向。紅外成像體制防空導彈能夠對目標進行精確識別和定位,在目標探測、抗干擾等方面具有顯著優勢。紅外成像制導武器需要針對探測系統和控制系統的性能、硬件產品的動態匹配性、控制方法的正確性和適應性進行大量驗證試驗。

半實物仿真是對導彈制導控制系統進行設計驗證的重要手段。半實物仿真系統通過構建紅外成像制導武器所需的紅外目標環境場景、導彈姿態,以及彈目相對運動等模擬環境,將制導控制系統硬件實物接入仿真系統并構成實時仿真回路,對控制回路的性能和產品特性進行驗證。在試驗過程中設定不同的試驗條件、邊界條件,重復、多次地實現該武器在不同復雜環境條件下的模擬飛行,對彈上設備的目標識別定位、抗干擾、制導控制系統工作性能進行驗證,能夠顯著降低飛行試驗風險,節約研制成本,對紅外成像制導武器研制具有重要意義。

本文詳細介紹了紅外成像制導控制半實物仿真方法,完成了整體方案設計,介紹了各分系統組成,給出了半實物仿真試驗方法,開展了仿真試驗驗證,最后給出了總結。

1 半實物仿真系統組成

半實物仿真系統原理如圖1所示。半實物仿真系統主要由仿真計算機系統、參試產品、仿真模擬設備等組成。其中：仿真計算機系統主要由仿真主控計算機、模擬發控/遙測計算機、通訊接口、實時仿真軟件組成;參試產品通常包括彈上計算機、慣性測量裝置、舵機和紅外導引頭;仿真模擬設備包含五軸飛行轉臺、負載力矩模擬器、圖像生成系統和紅外動態場景模擬系統。

圖1 半實物仿真系統組成原理圖Fig.1 Structure of the hardware-in-the-loop simulation test

1.1 仿真計算機系統

仿真主控計算機主要負責仿真試驗過程管理,解算彈體動力學、運動學、彈目相對運動等數學模型,完成與參試實物和仿真設備的接口通訊,同時具備仿真運行過程中人機交互、數據監視和仿真試驗數據錄取等功能。

模擬發控/遙測計算機在啟動飛行命令前用于模擬地面測發控系統與彈上計算機通信;在發送啟動飛行命令后,模擬地面遙測設備,接收彈上數字遙測數據。

仿真接口主要完成仿真計算機與仿真設備、參試產品的通訊。在本仿真系統中,接口分為兩類：一是仿真計算機與仿真設備間的接口,包括仿真計算機與五軸轉臺、圖像生成系統的接口;二是仿真計算機與參試產品的接口,主要包括仿真計算機與導引頭、彈上計算機、慣性測量裝置、舵機的通訊接口。

1.2 圖像生成系統

圖像生成系統能夠實現目標的三維實體建模、紅外輻射特性建模和紅外視景實時動態仿真,在仿真過程中根據實時仿真數據為紅外動態場景模擬系統提供動態的紅外目標特性圖像,以滿足紅外成像導引頭仿真測試的需要。

紅外圖像生成軟件實現場景和干擾的紅外仿真建模,通過光纖網絡交換機與仿真主控計算機通信,接收實時數據完成目標驅動并將生成的數據發送給目標投影系統。

圖像生成軟件以法國 OKTAL-SE 公司的仿真產品SE-WORKBENCH-EO,SE-SPECIALEFFECT 和二次集成定制開發軟件為基礎平臺,根據傳感器與紅外目標、干擾目標之間的相對運動狀態、目標和干擾目標輻射特性的變化特點,實現紅外目標、干擾及場景的建模、運動模擬及圖像生成。圖像生成軟件體系架構如圖2所示。

圖2 圖像生成軟件體系架構Fig.2 Structure of the image generation software

1.3 紅外動態場景模擬系統

紅外動態場景模擬系統將圖像生成系統生成的目標和背景紅外數字圖像轉換成物理紅外熱像,模擬遠距離3～5μm 和8～12μm 紅外熱像,為紅外成像探測、跟蹤、制導和紅外干擾等技術的研究和系統測試提供紅外環境。

中波紅外圖像投影系統接收圖像計算機提供的源圖像,將其轉換成紅外熱像,進行放大、準直和配準后投射到被測設備入瞳,使被測設備看到相當于遠距離、清晰的紅外熱像。圖3為紅外動態場景模擬系統組成圖,中波紅外圖像投影系統由四部分組成,分別為：光學投影分系統、照明分系統、DMD 微鏡陣列組、供電及控制系統(包括本地控制臺、遠程控制臺、電控箱和制冷機)。

圖3 紅外動態場景模擬器系統組成Fig.3 Composition of the infrared scene simulator system

系統工作時,由圖形工作站生成源圖像或使用實拍紅外錄像作為圖像源,通過顯卡DVI-D 接口或專用通訊接口板卡,傳送給模擬器,模擬器在供電及控制系統的控制下接收視頻信號,并以接收到的外同步信號作為DMD 圖像寫入及輸出信號。通過DMD 微鏡陣列組和照明系統的共同作用,將其轉換成紅外熱像,經光學投影分系統對圖像進行放大、準直和配準后,輸送給被測設備。光學投影分系統的視場始終覆蓋被測光電系統的視場,使被測設備看到相當于遠距離、清晰的紅外熱像。

光學投影分系統的作用是將微反射鏡陣列反射的目標及背景輻射源輻射準直、投射出,并與被測設備的入瞳完善耦合,使被測設備能夠觀察到清晰、無漸暈的圖像。

照明分系統包括目標輻射源、背景輻射源、能量調整用微鏡陣列、衰減片和相應的光學系統,為DMD 微鏡陣列組提供紅外輻射源。

DMD微鏡陣列組的作用有：1)接收圖形工作站的視頻信號,將該視頻信號轉換成與圖形工作站視頻信號對應的微鏡翻轉動作;2)接收被測設備提供的、經同步調制驅動電路進行相位調節后的同步信號,作為單幀圖像輸出的啟動信號,實現DMD微鏡陣列輸出圖像與被測設備的積分時間同步,保證被測設備所觀察到的紅外熱像無假灰度現象與閃爍現象。

1.4 五軸轉臺

轉臺是仿真系統中角運動的模擬設備,主要包括導彈彈體的姿態運動以及彈目視線角的運動,一般采用五軸臺結構,內三軸轉臺模擬彈體姿態運動,外兩軸轉臺模擬彈目視線運動。在仿真試驗時,慣性測量裝置、紅外導引頭等參試產品安裝在內三軸轉臺上,紅外動態場景模擬系統安裝在外兩軸轉臺上。

1.5 負載力矩模擬器

負載力矩模擬器用于舵機參試時模擬導彈在飛行過程中作用在舵面上的氣動載荷及其他載荷,進而實現對舵機系統的閉環性能測試。在仿真試驗過程中,仿真機根據當前動壓等參數實時計算鉸鏈力矩指令,發送給負載力矩模擬器。模擬器根據指令生成對應力矩加載到舵面上,模擬舵面在實際飛行中收到的氣動載荷。

2 半實物仿真方法

2.1 半實物仿真模型構建

圖4為半實物仿真建模框圖。在整個流程內,控制系統輸出舵指令到舵機;舵機響應相應指令,形成舵偏角;舵偏角帶入彈體模型,完成動力學和運動學計算;慣性測量裝置接收彈體運動信息,輸出角運動和線運動信息至控制系統;紅外導引頭根據目標運動和彈目相對運動關系,輸出視線角信息至控制系統;控制系統接收慣性測量裝置和紅外導引頭信息,完成導航和制導控制解算,輸出下一時刻舵機控制指令,完成整個流程閉環。

圖4 仿真建模框圖Fig.4 Structure of simulation model

彈體動力學模型為

式中：m為導彈質量;V x,V y,V z為彈體速度;F x,F y,F z為所受合力;ωx,ωy,ωz為角速度;g x,g y,g z為加速度;M x,M y,M z為所受合力矩;J x,J y,J z為轉動慣量。

彈體運動學模型為

式中：X,Y,Z為導彈位置;q0,q1,q2,q3為姿態四元數。

彈目相對運動模型為

式中：X m,Y m,Z m為目標位置;V xm,V ym,V zm為目標速度;ΔR和為相對距離和相對速度;qε,qβ,為視線角和視線角速度。

2.2 半實物仿真軟件設計

半實物仿真軟件是仿真系統的核心軟件,在完成數學模型實時解算的同時,實現和參試產品及仿真設備的信息交互。半實物仿真軟件還支持人機交互操作與顯示等功能。

在Windows+RTX 實時操作系統下完成仿真軟件開發。RTX 在Windows體系結構中增加了1個實時子系統RTSS,以彌補Windows非實時的問題。RTSS使用自身中斷管理模式,任務調度超前于Windows,保證RTX 的實時性。RTX 任務和Windows的任務通過共享內存交換數據,既保留了Windows平臺的原有特征,又可以將實時任務放入實時子系統RTSS中執行。圖5為半實物仿真軟件交互界面圖。

圖5 半實物仿真軟件人機交互界面Fig.5 Interactive interface of simulation software

2.3 仿真試驗流程設計

紅外成像制導控制半實物仿真試驗流程主要包括：

1)仿真設備研制,包括仿真計算機系統、仿真專用接口、仿真電纜、仿真試驗軟件開發等;

2)試驗前仿真設備測試,包括仿真計算機接口測試、仿真電纜測試、仿真試驗軟件測試等;

3)試驗前參試設備性能復驗,包括彈上計算機、慣性測量組合、紅外導引頭、舵機等產品狀態確認;

4)兩兩對接與系統集成試驗,包括仿真設備間的對接試驗、仿真設備與參試產品間的對接試驗、參試產品間的對接試驗以及整個仿真系統集成聯合試驗;

5)控制系統仿真試驗,一般包括兩類。一是僅彈上計算機參試的半實物仿真試驗,主要用于飛控軟件綜合測試、控制方法和控制精度測試等;二是所有參試產品接入回路的半實物仿真試驗,主要用于對控制系統產品的動態匹配性進行檢驗,對各設備的模型進行校核。

3 仿真試驗驗證

構建紅外成像制導控制半實物仿真系統。系統包含實時計算機系統、圖像生成系統、紅外動態場景模擬系統、五軸飛行轉臺和負載力矩模擬器。半實物仿真軟件運行在實時仿真計算機中,參試的彈上實物為紅外導引頭、彈上計算機、慣性測量裝置和舵機。

以某測試彈道為例,通過半實物仿真試驗,對本文所提方法的有效性進行驗證。圖6為數學仿真與半實物仿真輸出的視線角速度對比。試驗結果表明：仿真系統能夠和參試產品間完成正常信息交互,能夠正確運行各類數學模型;仿真試驗有效驗證了動態條件下各參試產品間的工作協調性和匹配性,驗證了控制系統設計的正確性和適用性,為飛行試驗前控制系統參數確定提供了重要的試驗依據。

圖6 視線角速度對比Fig.6 Competition of line-of-sight velocity

4 結論

本文針對紅外成像制導控制半實物仿真開展研究,詳細介紹了仿真系統的設計方案和功能組成,給出了仿真模型構建、仿真軟件設計、仿真試驗流程設計等半實物仿真方法,并最終構建仿真系統。通過該系統對本文所提仿真方法進行試驗驗證,結果表明：該系統能夠有效模擬紅外成像制導武器各類運行狀態和目標環境,可有效支撐相關型號的設計驗證。后續將不斷完善仿真系統,提高對復雜紅外光學目標場景模擬的逼真程度,深入開展應用研究,充分發揮仿真技術在武器裝備設計驗證中的重要支撐作用。