一体化引信引战系统数字仿真软件设计*

王　琼,周军伟,刘　斌,王宏波,庄志洪

(中国空空导弹研究院,河南洛阳　471009)

一体化引信引战系统数字仿真软件设计*

王琼,周军伟,刘斌,王宏波,庄志洪

(中国空空导弹研究院,河南洛阳471009)

摘要:根据一体化引信设计过程中对起爆控制算法和引战系统性能进行分析和评估的需求,设计开发了一体化引信引战系统数字仿真软件。该软件由参数输入、主程序、数据接口、引战配合性能分析和信息存储5个模块组成,介绍了软件各组成模块的功能和关键技术。该软件可对多种目标的弹目交会及引战配合过程进行可视化仿真和数字仿真,实现了起爆控制算法的引战配合效率评估,验证了起爆控制模型的正确性和有效性。

关键词:一体化引信;引战系统;数字仿真

0引言

随着航空航天技术的飞速发展,来袭的空中目标以多种类、大范围、高速度、强机动等方式出现,使得弹目交会情况变得越来越复杂。为了实现全方位交会条件下的最佳起爆控制,基于引信、目标信息和制导信息利用的GIF(guidance integrated fuzing)技术应运而生,并日益受到人们的广泛关注,成为先进制导武器引信技术的一个重要发展方向[1-2]。

一体化引信功能的升级和拓展使得引信的起爆控制算法和工作模式变得越来越复杂,一体化引信引战性能评估成为一体化引信研究和应用过程中的一个重要课题。在常规导弹引信引战性能评估方面,美陆军导弹司令部研究/发展和工程中心建立了一套基于UNIX环境的半经验化的防空导弹杀伤能力终端仿真软件(RLEGS),RLEGS可对多种交会条件下的导弹引战性能进行评估和验证。相对于常规导弹引信,一体化引信性能的评估和验证将更为困难,国内外在此方面的研究还未见相关报道。文中通过构建开放式的一体化引信引战系统数字仿真软件,实现对一体化引信系统起爆控制算法和引战系统性能的分析和评估[3-4]。

1仿真软件的设计思想

一体化引信引战系统数字仿真软件用于模拟制导和引信信息,完成雷达制导GIF引信系统和红外成象制导GIF引信系统的性能验证、引战系统方案评估和炸点控制算法设计与分析,实现弹目交会、一体化引信工作过程和引战配合过程的可视化。仿真结果以文本、图形、三维场景、图象序列等方式进行存储,并用交会信息数据库对仿真结果进行统计和管理。

在软件系统中,对弹目交会过程和引战配合过程进行准确描述是引战配合效能计算和一体化引信性能分析验证的基础。弹目交会过程由相对速度矢量和脱靶参数确定,也可通过读取一体化引信样机的交会数据文件确定,交会数据文件中包含交会条件、导引头或引信的采样参数、测量信息等,软件中对此两种情况提供支持。在纯软件仿真时,模拟并输出制导信息和引信信息。根据模拟的制导、引信信息或样机的测量信息,用户可基于软件提供的炸点控制模型接口设计相应的炸点控制模型,对炸点控制算法或一体化引信性能进行分析。

对引战配合过程的描述需建立目标三维实体模型、面元模型、引信探测作用模型和战斗部杀伤元的飞散模型。软件中按照用户选择确定相应的弹、目、引信、战斗部模型组合,并根据弹目交会参数和弹目姿态参数限定的条件,完成所需的弹目交会和引战配合过程可视化仿真。

模拟生成的制导信息、引信信息和交会数据存储于不同的数据文件中,一体化引信样机的交会数据及测量信息也以数据文件形式存储并可与软件平台一起完成引战配合可视化仿真。在交会条件和炸点参数相同的情况下,可对纯软件仿真和半实物仿真的一致性进行验证。在软件平台和一体化引信样机协调一致的前提下,可利用软件平台对一体化引信样机的炸点控制算法进行分析或基于一体化引信样机的实测数据进行炸点控制算法设计。

2仿真软件的设计

2.1　功能模块设计

数字仿真软件分参数输入、主程序、数据接口、引战配合性能分析和信息存储5个模块进行综合设计,如图1所示。

图1　软件功能模块

图中各模块的功能如下:

1)参数输入模块。导弹参数、目标参数、战斗部参数、交会参数、炸点控制模型、仿真控制参数及其它相关参数都通过参数输入模块可视化的输入程序,程序根据输入参数的不同完成对应目标、导弹、战斗部、炸点控制模型和交会弹道的初始化工作。

2)主程序模块。主程序模块用于产生双模导引信息、双模探测信息,根据炸点控制模型计算炸点参数,并利用计算得到的炸点参数或用户输入的弹道参数和炸点参数起爆战斗部,实时计算命中点参数和引战配合效率,模拟并可视化的显示引战配合过程。

3)接口模块。接口模块的功能是将用户的弹道数据、测量参数或炸点参数输入到主程序,主程序依据输入参数给出起爆信号,实现战斗部起爆、杀伤元飞散、命中目标过程的可视化,并对命中点参数和引战配合效能进行计算。

4)性能分析模块。本模块对基于主程序计算得到炸点参数和用户输入的导引头测量参数/炸点参数起爆战斗部后引战配合效能的计算结果进行分析,实现对不同交会条件下的起爆控制算法和引战系统性能的分析和验证。

5)信息存储模块。本模块对输入参数、炸点参数、接口模块的输入/输出信息以及性能分析/验证模块中的计算结果进行存储,以便对不同输入参数下的引战系统性能进行分析对比。

2.2　交会弹道的生成

如图2,由给定初始弹目距离R和目标在弹体坐标系内的极角ϑT、方位角φT确定的初始弹道的方向矢量为s={m,n,p},式中:

(1)

相对速度在坐标轴上的分量为:

(2)

图2　不同脱靶方位和脱靶量的平行弹道

给定弹体坐标系内的脱靶方位φw,脱靶量ρ,则弹体坐标系内脱靶点P的位置为:

(3)

弹体坐标系内目标T的位置为:

(4)

则经过给定脱靶点且与初始弹道平行的弹道为:

(5)

改变式中脱靶方位φw和脱靶量ρ,便可得到多条与初始弹道平行而脱靶方位和脱靶量不同的平行弹道。

2.3　GIF信息模拟

制导信息主要包括多普勒频率、导引头天线轴(光轴)与弹轴夹角,导引头天线轴(光轴)相对于弹轴的高低角和方位角、高低角速度和方位角速度、弹目视线角速度、脱靶方位、弹目距离。

1)多普勒频率fd(t)

对于雷达制导GIF引信,导引头输出的多普勒频率可利用下式模拟:

(6)

式中:λ为导引头工作波长;R(t)为弹目距离;φr(t)为弹目相对运动速度与弹目连线的夹角;vr(t)为弹目相对运动速度。

2)弹目相对运动速度vr

利用多普勒频率,可以计算得到弹目相对运动速度vr(t):

(7)

在导引头失控前,相对运动速度始终指向目标,通常认为此时的φr(t)=0,所以:

(8)

3)导引头天线轴(光轴)与弹轴夹角Ω(t)

利用导引头天线轴(光轴)相对于弹轴的高低角α(t)和方位角β(t),可得到导引头天线轴(光轴)与弹轴的夹角Ω(t):

(9)

4)弹目视线角速度q′(t)

弹目视线角速度q′(t)可表示为:

(10)

式中:u(t)为陀螺的输出电压;K为导航系数。

q′(t)由导引头天线随动系统给出,高低角速度α′(t)和方位角速度β′(t)由高低、方位上的陀螺输出得到,在软件中上述参数则由弹目相对运动方程得到。

5)脱靶方位ω

脱靶方位可利用目标丢失前导引头测得的视线角速度分量来确定。视线角速度矢量在脱靶平面上投影的方位即为脱靶方位。

在软件中,脱靶方位ω和脱靶量作为输入参数确定。

6)弹目距离R(t)

对于雷达制导GIF引信,弹目距离R(t)由导引头测得。

2.4　目标、导弹建模

建立精确的目标三维模型是制导中心和触发点定义的基础,是命中点参数识别和命中数统计的前提。为便于计算命中点参数且又具备较好的可视化效果,利用OpenGL对目标进行实体建模并定义其材质、贴图、光照、颜色等属性,使其具有逼真的视觉效果[5],同时建立该目标的面元模型描述,用于触发点、命中点等参数的计算和显示。在弹目交会过程中,目标实体模型、目标面元模型、触发点、命中点同步运动、同步显示。如图3分别为长空靶机的实体模型、面元模型及实体模型和面元模型共同显示的效果。

图3　长空靶机的实体模型和面元模型

采用实体模型和面元模型分别建模的优点就是可实现模型精度的任意选择,满足不同硬件平台上软件运行和快速仿真的需要,而可视化效果保持不变。

导弹三维模型的建立要相对简单一些,无需考虑构成导弹的面元参数及其变化情况,考虑战斗部起爆点参数及破片运动参数计算的需要,软件中只需保留导弹质心运动参数,因此可用平面、圆柱、圆锥、圆台等基本几何体组合构成导弹三维实体模型。

2.5　命中点参数计算

引战配合效果分析和评估是基于命中目标破片数占战斗部破片总数百分比、引战配合效率、0破片命中概率等参数的计算来进行的,命中点参数的准确计算是上述参数计算的基础。

图4　导弹三维实体建模

战斗部起爆后,任一时刻任一杀伤元的空间位置由起爆点位置、该杀伤元的运动方向矢量、该杀伤元的动态初速以及速度衰减规律决定,基于杀伤元的实时位置参数、运动参数及目标面元模型参数,即可判断该杀伤元是否命中目标、命中目标的时刻及命中点参数。

在算法设计时,可把每一枚杀伤元的运动过程看作是一条以战斗部中心为起点的线段不断延长的过程,在每个步长内线段的延长量由杀伤元动态飞散速度决定,延长方向由杀伤元的方向矢量决定。

为提高算法执行效率,本软件针对各种目标的外形参数分别定义其包围球,包围球半径由目标外形参数自动确定,也支持由用户直接输入。破片飞散过程中未进入包围球的破片均不作命中参数计算,由此可以大大降低运算量。首先用外层包围球与各杀伤元做重叠测试,重叠的杀伤元再逐一与内层各部件包围球做重叠测试,与内层包围球重叠的杀伤元再做命中参数计算。图5为基于多层包围球计算命中参数的可视化过程。

图5　基于多层包围球计算命中参数

2.6　软件界面设计

软件界面设计如图6所示,界面上端为菜单栏和工具条,用于完成参数输入、启动仿真、可视化显示、数据显示、结果保存和帮助功能。界面中部左侧为弹目交会场景和引战配合过程可视化显示区。界面右侧为弹目交会过程中采样点参数记录、炸点参数估计曲线及其它中间数据显示区。

仿真完毕后,从主菜单或工具栏上打开如图7所示性能分析窗口,每次交会的初始参数、估计的脱靶参数、详细的命中点参数、命中结果统计参数等写入性能分析数据文件并保存。如果在参数输入界面中选择固定弹道参数数字仿真模式或弹道参数区间数字仿真模式,软件将对多次仿真的引战配合效率等指标进行统计并写入性能分析数据文件。基于此数据文件和图8所示命中点分布图,可对引战配合效果进行直观分析。

图6　软件界面

图7　性能分析

图8　命中点分布图

3结论

文中提出了一体化引信引战系统数字仿真软件

的设计方法,利用一体化引信引战系统数字仿真软件的多种仿真模式可对一体化引信系统起爆控制算法和引战系统性能进行分析和评估。该软件采用模块化设计,预留起爆控制算法模块的接口,可对不同信息利用情况下的炸点控制模型进行验证。

参考文献:

[1]张志鸿. 防空导弹近炸引信技术发展趋势 [J]. 制导与引信, 1999(4): 28-34.

[2]涂建平, 彭应宁, 袁正. 引信对制导系统提供的目标信息综合利用研究 [J]. 探测与控制学报, 2001, 23(3): 55-58.

[3]梁堂文. 防空导弹引信设计及仿真技术 [M]. 北京: 宇航出版社, 1995.

[4]方辉煜. 防空导弹武器系统仿真 [M]. 北京: 宇航出版社, 1995.

[5]贾志刚. 精通OpenGL [M]. 北京: 电子工业出版社, 1998.

收稿日期:2014-09-14

作者简介:王琼(1983-),女,河南信阳人,工程师,硕士,研究方向:引信信号处理。

中图分类号:TP391.9

文献标志码:A

Design of Digital Simulation Software of GIF Fuze Fuze-warhead System

WANG Qiong,ZHOU Junwei,LIU Bin,WANG Hongbo,ZHAUNG Zhihong

(China Airborne Missile Academy, Henan Luoyang 471009, China)

Abstract:According to the demand for analysis and assessment of burst control algorithm and fuze-warhead performance during design of GIF fuze, a digital simulation software of GIF fuze fuze-warhead system was developed. This software consists of parameter input module, main program module, data interface module, fuze-warhead matching performance analysis module and information storage module. The function and related key technologies of the modules were introduced. Visual and digital simulation of missile-target encounter and fuze warhead matching process of these targets can be conducted, cooperation efficiency of fuze and warhead of the burst control algorithm was evaluated, and accuracy and efficiency of the burst control model were testified.

Keywords:GIF fuze; fuze-warhead system; digital simulation