单兵自动武器简易光电火控系统协同仿真

赵彦峻，张万青，王 欣，徐 诚

（1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博255091；2.南京理工大学 机械工程学院，南京210094）

在单兵光电火控系统的研制过程中，瞄具成像、激光测距、光电火控弹道等各个单领域模型的分析是不可分割的。传统的方法是设计人员在利用擅长处理此类模型的平台之上，分别建立各自的模型并分别进行调试与仿真，按照单个单一模型的方式进行仿真，没有考虑各个模型间的相互联系、制约和反馈问题。某个模型仿真的结果经过数据格式或者调整之后，成为另外模型仿真的初始参数。如果后续模型仿真过程中不能满足要求，则需要回到前者各个模型中进行修改，如此反复进行，直到满意为止。如果能将单兵光电火控系统各模型集成为一个各个领域共享的仿真模型，利用协同仿真技术进行联合性能分析，则会提高效率，缩短开发周期，降低开发成本。

协同仿真技术是应用于复杂系统协同工作的技术，它利用先进的建模、仿真和信息管理等综合技术，将复杂系统的多领域模型实现联合仿真。协同仿真建模方法有多种，基于接口的协同仿真技术应用较广［1－3］。它是通过提供统一的接口标准，实现复杂系统中不同单领域模型之间的数据与信息交互。这种技术不需要改变单领域模型的仿真环境、算法，只需要对仿真软件的数据与信息的接口实现对接。

本文采用基于接口的协同仿真方法，对单兵火力系统简易光电火控系统实现协同仿真。对不同人员，利用不同软件编制的仿真程序实现了协同仿真。

1 单领域仿真模型

建立瞄具成像、激光测距、火控弹道各单领域仿真模型。

1.1 瞄具成像模型

士兵通过瞄具观察到目标，目标由三维图像变换为望远式瞄具中的平面图像，为描述这些目标及图像的关系，需要建立图像、瞄具、世界坐标系［4］。世界坐标系、瞄具坐标系如下式所示：

式中：（Xj，Yj，Zj，1）和（XM，YM，ZM，1）分别为世界坐标系和瞄具坐标系下的齐次坐标，R≡（0 0 0）T，T为3×1平移矢量。

透视成像的数学方程用齐次坐标与矩阵［5］表示为

式中：f为瞄具焦距，（X，Y）为M′点在图像坐标系下的坐标，（XM，YM，ZM）为空间点M在瞄具坐标系下的坐标。

空间内点M的坐标与它的投影M′点的坐标为

式中：αX＝f／dX，αY＝f／dY；dx，dY为单个像素在X轴和Y轴方向上的物理尺寸；M1，2为3×4的投影矩阵；参数αX，αY，u0，v0决定了M1，这些参数称为瞄具内部参数，只与瞄具内部结构有关；M2由瞄具外部参数决定。瞄具标定及其它参数的含义可参阅文献［6］。

瞄具分划与目标成像关系模型如下：

式中：D为观察者与目标之间的距离（m），H为目标的高度或宽度（m），a是用分划板测得的用密位表示的目标高低角或目标方向角。

本模型利用MATLAB计算器求解仿真。

1.2 激光测距数学模型

激光测距仪按测定方法可分为脉冲激光测距仪和相位激光测距仪。军事上多采用脉冲激光测距仪。待测目标的距离为

式中：L为待测目标的距离（m），光速c＝3×108m／s，t为激光脉冲往返时间（s）。

激光往返时间的计算是用时标振荡器来完成的。激光往返时间t的计算公式如下：

将式（6）代入式（1），得：

式中：fH为时标振荡器的振荡频率，n为时标脉冲个数。

本模型利用MATLAB计算器求解仿真。

1.3 火控弹道数学模型

火控弹道数学模型［7－8］为

式中：C为弹道系数；Hτ（y）为气重函数；G（vτ）为阻力函数；wx为纵风，wz为横风；N为弹丸自转转数；为弹丸自转角速度；虚温τ如下式［9］所示：

式中：τ0n＝288.9K，A＝230，B＝6.328×10－3，C′＝1.172×10－6。

火控系统弹道问题边界条件中弹丸飞行轨迹的起点S：t＝0，x＝0，y＝0，v＝v0；弹丸飞行轨迹的落点E：x＝d，y＝0。在此，假定点S和点E在同一水平，两者之间的距离为d。

本模型采用VB语言求解仿真。

2 协同仿真模型

2.1 简易光电火控系统协同仿真模型

基于建立的瞄具成像、激光测距、火控弹道3个单领域的仿真模型，以Matlab为平台，将这些单领域模型利用接口技术构造一个能协同工作的协同仿真模型——简易光电火控系统协同仿真模型，其框架及数据间的传递关系如图1所示，图中箭头描述数据间的传递与约束关系。白光瞄具寻找到目标，把目标参数传给激光测距仿真模型；激光测距仿真模型经过计算得到目标距离，并把目标距离传给白光瞄具仿真模型；白光瞄具出示目标离士兵的位置及目标图像，同时将士兵与目标的距离值（形成数据文件）传给火控弹道仿真模型；火控弹道模型通过计算得到射击的射角、瞄准点、弹丸转数及弹丸的飞行时间等参数，并输出结果。射角和瞄准点值回传给白光瞄具，以数值的形式出示在白光瞄具的屏幕上，射角传给人－枪系统，调整枪射击的位置，弹丸转数与飞行时间传给榴弹引信以控制榴弹爆炸时间。

图1 简易光电火控系统协同仿真模型数据间的传递关系

2.2 简易光电火控系统协同仿真实现

以Matlab作为集成平台，将由不同计算软件编程的3个仿真模型（火控弹道模型、瞄具成像模型、激光测距模型）实现协同操作，形成一个协同仿真模型，程序界面如图2所示。

图2 简易光电火控瞄具协同仿真计算程序界面

2.3 简易光电火控系统协同仿真结果

为检验仿真结果的可靠性，采用多种数据进行了实验，并与实际情况进行了对比。在此仅以榴弹对600m虚拟立靶目标进行射击为例，运行简易火控系统协同仿真模型计算程序，获得了火控仿真的特性参数、瞄具成像仿真结果，如弹丸飞行时间为3.299s，初始射角为5.256°，弹丸转数为1 014等射击诸元值，这些结果以文件和数据库的形式保存，方便了与外界数据的传递与应用。协同仿真的部分输出结果界面如图3～图5所示。

图3 600m处目标在瞄具中成像

图4 弹丸转数－时间曲线

图5 射击诸元部分结果输出界面

3 结束语

本文建立了简易光电火控系统的基于接口的协同仿真模型，将不同软件环境下的3个模型实现了协同操作，解决了多种非线性模块在不同软件环境下实现联合操作的问题。通过协同仿真实验，全面模拟了该简易火控系统工作过程，获得了简易火控系统仿真特性参数。通过对比简易火控系统单领域仿真与协同仿真，结果表明：协同仿真提高了仿真的效率，缩短了开发周期，减少了人员的数量，降低了开发成本。该项研究为进一步实现单兵火力系统协同仿真提供了参考。

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