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导弹制导控制系统半实物仿真系统的设计与实现

引言

     随着军事科学技术的发展,导弹武器以其特有的优势逐步成为现代战争的主要武器之一,而导弹武器造价昂贵,因此把仿真技术引入导弹武器的装备科研中,就成为导弹武器研究发展的重要方向。仿真技术以其低成本、高效等特性在导弹武器装备科研上应用越来越广泛,但完全靠数学建模进行的全数字仿真,无论是模型的建立,还是仿真结果的真实度、可信度都与真实情况有不少的差异。同时对实物系统状态、环境进行建模又是一个非常复杂、困难的过程,在仿真系统的设计中,占用很多时间和精力。随着仿真技术的发展出现了半实物仿真技术,它把实际使用的导弹部件引入到仿真系统的回路中,不仅避免了建模的困难和模型的不准确性,同时又大大地提高了仿真结果的可信度。半实物仿真逐步成为导弹武器研制、改进中的重要手段。美国的爱国者防空导弹的成功研制就是半实物仿真成熟运用的特例之一。其在研制时的仿真结果与飞行试验结果一致,这也充分说明半实物仿真数据能够辅助进行导弹武器系统的相关研究。因此,本文在导弹制导方法、惯组误差特性研究的过程中,设计了一套半实物仿真系统,通过仿真系统的实际运行来考核制导控制方法的优劣,进行提高惯组标定系数精度的研究。
 
1、仿真系统的设计与实现

     (1)设计思路考虑将导弹上计算机和真实惯组引入仿真系统的回路,让弹上计算机(以下简称“弹机”)运行飞行控制程序,弹机可接收惯组输出真实脉冲,也可以接收仿真计算机惯组模型算出的仿真数据,其余弹机输入均由电子箱产生,并根据相应信号特性通过电子箱的各模块接口板进行转换。根据上述思想设计一套半实物仿真的制导考核系统,该系统的所有数据来源都通过仿真计算机上的数学仿真飞行弹道程序。通过弹机实际的运行,可以考察各种制导控制方案的优劣。导弹的控制核心是弹机,导弹从点火起飞,直到头体分离、弹头惯性飞行落地,其飞行进程、飞行弹道、误差修正完全依靠弹机发出的控制命令来控制,同时弹机实时接收惯组的测量信息,实时计算出位置参数,控制导弹按预定弹道飞行。弹机是导弹的大脑,其接收导弹制导控制的闭环反馈信息,接收惯组测量信息,又解算位置信息,按预定程序发出控制信号给伺服机构,完成对导弹的控制。将实物弹机引入到仿真系统中,让其按照弹在飞行过程中的工作过程在仿真系统中工作,其它外围硬件设备通过信号箱中电路板仿真实现。这样给实物弹机搭建一个仿真的外围环境,弹机工作状态和导弹飞行时完全一致,通过弹机控制软件的修改就可以验证、考核各种控制方案和制导方法,给导弹控制软件的改进提供了一个仿真平台。导弹的惯性测量器件惯组是导弹飞行控制的核心,导弹80%的落点偏差均是由惯性测量元件误差造成的。考虑设计一套切换电路,能在惯组真实脉冲输出和惯组仿真器仿真脉冲输出之间切换,弹机能接收两种状态下的脉冲进行工作。把真实惯组脉冲输出引入系统中,能进行惯组相关的一系列试验,包括寻北、标定、模型建立,为提高导弹武器命中精度和作战使用性能提供试验基础。导弹飞行的进程、舵机电压、喷管状态通过电子信号箱中单片机的数据采集程序存储下来,并能够实时显示出各部件工作状态。系统结构中电子箱的各块电路板提供了弹机的外围工作环境,给实物惯组预留了切换的接口,同时也预留了仿真计算机的数据传输通道,仿真计算机能够模拟惯组输出脉冲,同时也能可视化显示导弹飞行状态。
    (2)结构组成按照上述设计思路所设计的系统结构如图1所示。
     图1 半实物仿真系统结构图
     其中软件包括两部分,其一为仿真计算机的惯组仿真、弹道可视化程序、仿真计算机、弹机通讯程序,其二为单片机数据存储、状态显示程序。
 
2、仿真系统的特点

    (1)系统的半实物特性该套半实物仿真系统的核心是将实物惯组和弹载计算机引入到仿真系统,系统所需的其它相关信号都由仿真计算机通过电子箱转换输出来实现。对于弹机来说,它自身的工作条件、输入都没有改变。弹机在半实物仿真系统中的工作过程和在实弹上的工作过程完全一样[1],惯组的脉冲输入是真实的,除惯组外的其它弹机所需输入均通过仿真计算机和电子箱模拟,根据惯组所需信号的不同,通过转接信号电子箱把计算机仿真输出的数字信号转换为相应的模拟信号,以此来满足弹机的整个工作过程。在半实物仿真系统中由于弹载计算机的加入使仿真系统具有了半实物特性,也就是仿真系统模拟的部分是弹机输入的各路信号数据。惯组是导弹制导控制的基础,是导弹运动状态的测量器件,惯组实时敏感导弹运动的加速度和相关姿态运动,然后向弹机发出相应的脉冲数,弹机根据相关算法计算出导弹的实时位置、速度和姿态。可以说将惯组引入仿真系统使该系统从测量模块到计算控制模块都与实际导弹飞行过程一致。这样以来,导弹从测量到控制这一通路都用实物,保证了仿真系统与真实系统的一致性。
    (2)系统的仿真特性通过利用在仿真计算机上建立的惯组模型与弹机相连的接口电路板,输出对应的脉冲数据给弹机,弹机在接到惯组脉冲后就进行相关的导航解算,得出位置状态参数后,按照导弹飞行控制程序的流程,发出相关的控制指令,控制伺服机构进行动作。伺服机构反馈给弹机的舵偏电压等模拟信号就通过伺服机构模拟功能板来实现。通过设计伺服机构模拟板与弹上伺服机构反馈电压相同的电路,能对弹机输出的控制信号进行反馈。在半实物仿真系统中,对弹机来说,它所接收到的反馈电压模拟信号与在弹上所接收到的模拟信号大小、品质完全相同。与伺服机构相似的舵机反馈电压也根据弹上舵偏电压的要求,通过设计AD转换电路,制成电路板,装接标准的航空接插件,通过电缆连通弹上计算机。该半实物仿真系统的计算控制部分完全和弹上一样,也就是系统的半实物特性,而与弹机相连的各路信号接收、反馈都是按弹上参数要求,设计相对应的电路,制成电路板,来仿真接收、输出弹机所要的信号。即将外围设备用电路板加单片机的模式,把功能完全模拟出来与实物弹机相连,这就是该套半实物仿真系统的仿真特性。
    (3)系统的主要功能该半实物仿真系统搭建完成后,其功能与一枚导弹相似,能模拟出导弹飞行控制的整个过程,利用它既可以考察弹机外的外围部分硬件设备,同时也可以考核、检查导弹飞行控制的软件程序。系统满足考核软件、硬件两方面的功能和特性要求,主要功能如下:①通过对弹机飞行控制软件的修改,来考核新的制导控制方法对导弹飞行的影响,比较不同制导控制方法之间的优劣,通过该套系统的仿真,等于把制导控制方法在导弹上实际运行了一遍,模拟出了飞行试验的整个过程,得出可信度很高的结果,并且经济性、简单实用性远远超过了实际飞行试验。②每次飞行试验,根据遥测数据,该系统都可以进行弹道复现,包括实时监控、显示导弹飞行进程、舵机工作状态、喷管工作状态,能存储伺服机构和导弹飞行进程的情况,对出现故障的导弹,可以进行故障分析,对故障源进行精确定位,对下一步改进和试验有重要的指导意义。③惯组脉冲接收电路板可以实现仿真惯组脉冲输出和真实惯组脉冲输出的切换。该设计方案主要是对制导控制系统进行测试,但考虑到设备的通用性与扩展性,通过切换到真实惯组,该方案在加入三轴转台和记录仪后也可用来对惯组进行导弹发射前的射前修正研究、惯组标定研究及惯组快速测试研究等。尤其是惯组快速测试方面,当前制约惯性导弹发展的一个重要因素就是惯组标定时间过长,这一测试时间已严重影响了部队作战能力的形成。为突出文章重点,在惯组应用方面这里只进行了简要的提示性说明,不作详细展开。把输入脉冲切换到仿真惯组输出后,可以考核各种飞行弹道条件下制导控制系统的工作情况。④利用搭建的导弹仿真平台,能进行导弹武器系统的作战使用研究、提高精度研究及武器发展论证的试验研究,为进一步挖掘武器系统的潜能,提高作战武器的使用性能提供了条件。
 
3、关键技术

      (1)电子箱设计电子箱是弹机和实物惯组、仿真计算机之间的连接部分,同时也是弹机控制输出和反馈输入给弹机的部分。电子箱主要分为两部分:一是真实惯组和仿真惯组输入的切换电路;另外一部分是模拟导弹上弹机外围,与弹机有数据交换的硬件设备电路,其中包括弹机和仿真计算机通讯的电路、弹机工作状态的实时显示电路、舵偏电压和喷管的AD模拟反馈电路等。可以说电子箱是该半实物仿真系统中的仿真部分。
 
     (2)电子箱单片机程序设计电子箱通过标准航空接插件口和弹机进行连接和数据交换,弹机所发出的控制指令在电子箱中的单片机都进行接收,并存储下来,通过电子箱上的显示器实时显示导弹的飞行进程、伺服机构、喷管的工作状态。单片机程序控制了整个电子箱的工作过程,在电子箱电路板设计出来,硬件调试通过后,就编制单片机的程序,然后和硬件进行联调。
 
    (3)仿真计算机程序设计仿真计算机主要负责按照数学模型,仿真导弹飞行的整个过程,按照惯组的误差模型、遥测数据仿真惯组输出给弹机,同时还能和弹机进行通讯,接收弹机的控制指令和飞行状态信息,把导弹飞行的过程可视化地显现出来。仿真计算机采用的是普通的工控机,它和弹机的一切数据交换都要完全遵守弹机内定的通讯规范,这就要求在编制程序前把弹机的通讯规范作为程序编写的基础准则,所有的数据信息都按照弹机要求来进行收发。
 
   (4)安全保护电路设计电子箱电路需要把实物惯组和实物弹机联系起来,而惯组、弹机都属于弹上设备,造价极其昂贵,在半实物仿真系统的设计过程中,应预先设计弹机和惯组的安全保护电路。
 
4、结束语

     该仿真系统现已完成多种制导控制改进方案的考核及飞行试验故障分析,通过一系列的半实物仿真试验证明,该设计方案在硬件设计和软件仿真方法上可靠可行,具有较高的军事装备科研价值。参考文献:[1] 张毅成,国文杰.运载火箭飞行控制系统双机仿真技术研究[J].计算机仿真,2005,22(3):56259。






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