空空導(dǎo)彈制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

孟 博

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 洛陽(yáng) 471000）

1 引言

制導(dǎo)精度是空空導(dǎo)彈的關(guān)鍵性能指標(biāo)，導(dǎo)彈以高精度、小脫靶量命中目標(biāo)是保證其作戰(zhàn)效能的基礎(chǔ)［1～2］。空空導(dǎo)彈是多種隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)作用下的復(fù)雜非線性時(shí)變系統(tǒng)，在內(nèi)部和外部各種隨動(dòng)誤差影響下，導(dǎo)彈飛行至目標(biāo)周圍空間的位置具有隨機(jī)性［3］，因此對(duì)于導(dǎo)彈制導(dǎo)精度的設(shè)計(jì)、分析、仿真、評(píng)估需基于大量樣本的統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，數(shù)字仿真評(píng)估系統(tǒng)是分析評(píng)估制度精度不可或缺的重要技術(shù)手段。國(guó)內(nèi)關(guān)于空空導(dǎo)彈制度精度仿真評(píng)估的研究較多針對(duì)干擾或環(huán)境的影響分析［4～5］，或制導(dǎo)精度理論估計(jì)方法［6］，對(duì)于仿真評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的相關(guān)研究較少，且仿真設(shè)置、目標(biāo)類型、仿真模式等功能較為單一。開展空空導(dǎo)彈制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，對(duì)于導(dǎo)彈制導(dǎo)精度設(shè)計(jì)分析與全面評(píng)估、性能綜合仿真驗(yàn)證尤為重要。

本文基于空空導(dǎo)彈制導(dǎo)精度仿真數(shù)學(xué)模型，開展系統(tǒng)構(gòu)建、接口設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、軟件實(shí)現(xiàn)，解決傳統(tǒng)制導(dǎo)精度仿真評(píng)估的局限和不足，構(gòu)建空空導(dǎo)彈制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)，可在不同模式、不同目標(biāo)、不同誤差等豐富場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)單條彈道和批量彈道的單次/多次彈道仿真及制度精度評(píng)估，更為豐富全面驗(yàn)證導(dǎo)彈飛行性能、評(píng)估導(dǎo)彈制導(dǎo)精度。

2 制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

空空導(dǎo)彈制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)主要包含初始條件模塊、仿真配置模塊、彈道仿真模塊和制導(dǎo)精度評(píng)估模塊，各模塊功能如下［7～8］：

1）初始條件模塊：接收并處理生成導(dǎo)彈具體的發(fā)射態(tài)勢(shì)，如載機(jī)、目標(biāo)、導(dǎo)彈相關(guān)發(fā)射參數(shù)等，供彈道仿真模塊使用；

2）仿真配置模塊：對(duì)目標(biāo)類型、隨機(jī)量、作戰(zhàn)模式、仿真模式進(jìn)行功能設(shè)置，供彈道仿真模塊使用；

3）彈道仿真模塊：依據(jù)特定發(fā)射條件，進(jìn)行導(dǎo)彈內(nèi)彈道和外彈道數(shù)字仿真，可計(jì)算并驗(yàn)證導(dǎo)彈導(dǎo)引、控制、穩(wěn)定、制導(dǎo)等飛行性能，輸出必要的彈道參數(shù)；

4）制導(dǎo)精度評(píng)估模塊：根據(jù)彈道輸出參數(shù)，進(jìn)行在線或離線的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、繪圖和定量評(píng)估。

通過系統(tǒng)不同模塊的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，在保證彈道仿真和制導(dǎo)精度評(píng)估的基礎(chǔ)功能上，創(chuàng)新豐富拓展仿真評(píng)估功能，提高制導(dǎo)精度仿真評(píng)估的樣本多樣化和覆蓋全面性，解決傳統(tǒng)制導(dǎo)精度仿真評(píng)估的局限和不足。

2.2 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)初始條件模塊、彈道仿真模塊、制導(dǎo)精度評(píng)估模塊、仿真配置模塊的輸入/輸出進(jìn)行信息傳遞和參數(shù)匹配方面的分析，開展接口規(guī)劃與設(shè)計(jì)，系統(tǒng)內(nèi)部及外部的接口設(shè)計(jì)如下［9～11］：

1）載機(jī)條件：載機(jī)高度、載機(jī)速度、水平進(jìn)入角、垂直進(jìn)入角、水平離軸角、垂直離軸角、發(fā)射距離；

2）目標(biāo)條件：目標(biāo)高度、目標(biāo)速度、目標(biāo)水平機(jī)動(dòng)、目標(biāo)垂直機(jī)動(dòng)；

3）攻擊目標(biāo)：目標(biāo)1、目標(biāo)2、典型目標(biāo)；

4）隨機(jī)量：無隨機(jī)量、有隨機(jī)量；

5）作戰(zhàn)模式：雷達(dá)模式、非雷達(dá)模式；

6）仿真模式：?jiǎn)螚l仿真、批量仿真；

7）彈道仿真結(jié)果：導(dǎo)彈飛行時(shí)間、脫靶量、位置、速度、姿態(tài)、過載、視線角速度、舵偏角等；

8）制導(dǎo)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果：仿真總數(shù)、命中個(gè)數(shù)、命中率。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)彈目視線角速度模型、制導(dǎo)律模型、氣動(dòng)力模型、氣動(dòng)力矩模型、彈體轉(zhuǎn)動(dòng)模型、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)模型、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型、彈道截止模型等設(shè)計(jì)，構(gòu)建全彈彈道仿真系統(tǒng)模型，模型原理框圖如圖1所示。

制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)工作流程為：初始條件模塊的導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)載機(jī)/目標(biāo)初始條件，以及仿真配置模塊的設(shè)置信息，一并通過輸入接口進(jìn)入彈道仿真模塊，根據(jù)特定的步長(zhǎng)進(jìn)行彈道的迭代計(jì)算，單個(gè)仿真中滿足彈道截止條件后停止計(jì)算，批量仿真中多個(gè)條件均滿足指定仿真次數(shù)后停止計(jì)算，輸出導(dǎo)彈單個(gè)條件或多個(gè)條件的彈道計(jì)算參數(shù)，用于進(jìn)一步分析和顯示；制導(dǎo)精度評(píng)估模塊根據(jù)含隨機(jī)量的彈道多次仿真結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、顯示和評(píng)估［12～13］。制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)原理框圖和界面如圖2和圖3所示。

圖2 制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)原理框圖

圖3 制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)界面

2.4 仿真評(píng)估驗(yàn)證

設(shè)計(jì)典型仿真條件分別進(jìn)行單條彈道仿真和批量彈道仿真，驗(yàn)證制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)對(duì)單條彈道的參數(shù)計(jì)算功能及批量彈道多次仿真的制導(dǎo)精度評(píng)估功能。單條彈道仿真系統(tǒng)界面如圖4所示，彈目運(yùn)動(dòng)三維態(tài)勢(shì)圖如圖5所示；批量彈道多次仿真設(shè)置導(dǎo)彈攻擊典型目標(biāo)、雷達(dá)模式、含隨機(jī)量、共仿真100次，仿真系統(tǒng)界面如圖6所示，制導(dǎo)精度評(píng)估結(jié)果中的脫靶量統(tǒng)計(jì)直方圖和概率密度曲線如圖7所示。

圖4 單條彈道仿真系統(tǒng)界面

圖5 單條彈道仿真彈目三維態(tài)勢(shì)圖

圖6 批量彈道多次仿真系統(tǒng)界面

圖7 脫靶量直方圖和概率密度曲線

由制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證情況可知，單條仿真可對(duì)一個(gè)條件進(jìn)行單次或多次彈道仿真，依據(jù)內(nèi)彈道和外彈道參數(shù)，可進(jìn)一步分析驗(yàn)證導(dǎo)彈的各方面性能；批量仿真可對(duì)一個(gè)條件或多個(gè)條件進(jìn)行單次或多次彈道仿真，系統(tǒng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)仿真進(jìn)度和命中概率，利用輸出數(shù)據(jù)，可對(duì)大樣本的脫靶量模值及分量進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)差、直方圖、概率密度分布等分析，進(jìn)而評(píng)估導(dǎo)彈制導(dǎo)精度。

制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)在不同作戰(zhàn)模式、不同仿真模式、不同目標(biāo)、不同誤差等功能設(shè)置下，進(jìn)行單條彈道/批量彈道的單次/多次彈道仿真與制度精度評(píng)估，系統(tǒng)功能正確有效，設(shè)置組合多樣，使用靈活便利，達(dá)到更為全面和豐富驗(yàn)證導(dǎo)彈飛行性能、評(píng)估制導(dǎo)精度的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于空空導(dǎo)彈制導(dǎo)精度仿真數(shù)學(xué)模型，針對(duì)傳統(tǒng)制導(dǎo)精度仿真評(píng)估的局限和不足，進(jìn)行了架構(gòu)規(guī)劃、接口設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、軟件實(shí)現(xiàn)，完成了空空導(dǎo)彈制導(dǎo)精度仿真評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)仿真驗(yàn)證，仿真評(píng)估系統(tǒng)可創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)不同作戰(zhàn)模式、不同仿真模式、不同目標(biāo)、不同誤差等豐富條件下單條彈道/批量彈道的單次/多次彈道仿真與制度精度評(píng)估，可進(jìn)一步提升空空導(dǎo)彈制度精度仿真評(píng)估的全面性和有效性。