基于STK的机载布撒器弹道仿真

2017-10-16郝炎祯诸德放李红卯

火力与指挥控制 2017年9期

关键词：弹道指令姿态

郝炎祯，诸德放，李红卯

（1.空军勤务学院，江苏徐州 221000；2.解放军94592部队，江苏徐州 221000）

基于STK的机载布撒器弹道仿真

郝炎祯1，诸德放1，李红卯2

（1.空军勤务学院，江苏徐州 221000；2.解放军94592部队，江苏徐州 221000）

机载布撒器是快速、远程、精确打击的新一代空对地攻击武器，对其弹道的研究有着重要意义。建立了机载布撒器飞行弹道仿真模型，运用能量法消除了风对布撒器的部分干扰，通过MATLAB得出布撒器弹道数据及二维弹道，利用STK软件强大的弹道仿真能力，建立布撒器仿真星历文件及姿态文件，设置地面站并运用YPR旋转方法转换坐标系，添加了布撒器仿真模型，以布撒器为中心视角展示并完成了三维弹道仿真，为后续对布撒器改装提供了一定参考依据。

机载布撒器，弹道仿真，STK工具箱

Abstract：Stand-Off Dispenser is a fast，long-range and precision air-to-ground weapon.It is important significance to research the Stand-Off Dispenser’s trajectory.This paper establishes the flight model of the dispenser，using the energy method to eliminate the interference of wind，obtaining the trajectory data and two-dimensional trajectory by MATLAB，using the STK software’s powerful ability of trajectory simulation，establishing the trajectory files and the attitude files，setting the facility and finishing the coordinate transformation，adding the model of dispenser，finishing the simulation of three-dimensional trajectory，providing a reference for subsequent modification of the dispenser.

Key words：stand-off dispenser，trajectory simulation，STK

0 引言

机载布撒器是一种由作战飞机挂载、远距离投放、具有自主飞行控制和精确制导能力，可携带大量有效载荷或多种子弹药的空对地攻击性武器，由于其具有功能强、消费比高、人机伤亡小、使用维护方便等优点，是各军事大国竞相发展的热点。

弹道仿真是武器装备发展研究的重要手段，目前，对于机载布撒器的研究主要集中在布撒器制导系统［1］、飞行状态的末端修正［2］以及弹载子弹药抛撒毁伤效果评估［3］等方面，对于布撒器的弹道研究仅停留在二维的仿真［4］，对布撒器的弹道描述不够细致、直观，无法全面反映布撒器飞行性能。本文利用STK工具箱自带的战场环境模型和强大的数据处理能力，较好地实现布撒器弹道的三维仿真，为后续布撒器的改装研究提供参考。

1 机载布撒器的弹道仿真模型

本文研究的机载布撒器是无动力滑翔型，在标准状态下该布撒器只受重力G和空气动力R，布撒器的运动方程组如式（1）：

布撒器的空气动力方程组如式（2）：

其中：x、y、z分别表示该型布撒器在地面坐标系x、y、z轴上的位置；VK为空速，V为布撒器相对地面坐标系的速度；θ为弹道倾角，φv为弹道偏角，α为攻角；Fx、Fy、Fz分别为空气动力 R 在 x、y、z轴上分解得到的阻力、升力和侧向力；γv为速度滚转角；m为该布撒器质量；S1为步撒器的弹体、弹翼、尾翼正视截面面积之和，S2为该型布撒器弹体俯视截面积与弹翼面积之和，S3为步撒器弹体侧视投影面积与尾翼面积之和；Cx、Cz为别阻力系数、侧向力系数；Cy为升力系数对攻角的导数；ρ为布撒器所处高度的大气密度。无动力机载布撒器3DMAX模型如图1所示。

图1 无动力机载步撒器模型

2 布撒器纵向风干扰能量法补偿

该型布撒器航程较远，且制空时间较长，飞行过程中必然受到风的干扰，因布撒器为无动力滑翔型，风干扰对纵向弹道影响最大，故在对其弹道仿真前，通过增加一项风干扰补偿指令来调整弹目视线角补偿风干扰对布撒器纵向弹道的影响，使得仿真的弹道更加真实。

布撒器飞行过程中风速、风向会随时变化，无法精确判断风速的数值，顺风时，弹道偏高，追踪法导引指令偏小，使得末段弹目视线角偏大，导引指令被限幅，因此，顺风时应该增大追踪法导引指令，使顺风弹道下降得快一点；逆风时，弹道偏低，追踪法导引指令偏大，使弹目视线角由负向变为正向，导引指令方向也发生了变化，使末段俯仰角发散，导引精度变差，逆风时应该减小追踪法的导引指令，使得逆风弹道下降慢一点

风干扰补偿的思路是通过调整导引指令以适应风干扰对纵向弹道的影响，从而满足末端开舱点精度和俯仰角约束，增加一项与弹目视线角成正比的风干扰补偿指令对纵向弹道进行补偿［5］，选择补偿项如下：

式中，h为布撒器飞行高度；hf为布撒器实际抛撒点高度；b1和k1为补偿系数，大小由初始投放高度、投放速度、风向和风速决定；Δhe'是有风弹道与无风弹道的能量高度差与无风弹道能量高度的比值。

3 基于STK的布撒器弹道仿真

卫星工具软件 STK（Satellite Tool Kit，STK）是航天领域中先进的系统分析软件，由美国分析图形有限公司（Analytical Graphics Inc，AGI）研制，用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。它可提供逼真的二维、三维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果。STK多用于航天、情报、雷达、电子对抗、导弹防御、卫星轨道分析等方面。STK具有强大的分析能力，能够以复杂的数学算法迅速准确地计算出飞行器任意时刻的位置、姿态，评估陆地、海洋、空中和空间对象间的复杂关系［6］。

3.1 弹道仿真对象基本设置

在STK环境中，对于机载布撒器弹道的仿真其主要参数设置流程包括基本场景设置、布撒器仿真对象设置、画面及视角设置如图2所示。

图2 布撒器STK弹道仿真流程

3.2 布撒器弹道仿真的实现

假定该布撒器在某地由载机携带发射，发射高度 10 km，发射速度 0.7 Ma，S1、S2、S3分别为 Xm2，攻角、弹道倾角、弹道偏角、速度滚转角为0，风场系数为小逆风-0.5，阻力系数、升力系数、侧向力系数分别为0.109、0.065、0.013。根据布撒器风补偿运动模型利用MATLAB编程，采用欧拉法，步长设为0.1，代入上述初始数据得出布撒器弹道数据，其二维弹道如图3所示。

图3 布撒器二维弹道

3.2.1 星历文件和姿态文件的编写

使用STK软件进行弹道仿真，必须编写步撒器星历文件和姿态文件。星历文件是STK软件用来描述飞行器弹道轨迹的数据文件；姿态文件是STK软件用来描述步撒器飞行姿态的数据文件。

将上述弹道数据转换为STK工具箱可识别的格式。采用相对于发射坐标系的位置和速度信息描述布撒器弹道，即选择EphemerisTimePosVel格式制作星历文件，需要布撒器飞行过程中X轴、Y轴、Z轴的位置，X轴、Y轴、Z轴的速度［7］；根据星历文件格式要求编写弹道数据STK星历文件如图4所示。采用相对于发射坐标系的偏航、俯仰和滚动角方式描述布撒器姿态，即选择AttitudeTimeYPRAngles格式制作姿态文件如图5所示，需要布撒器飞行过程中实时的欧拉角。

图4 星历文件

3.2.2 发射坐标轴和发射坐标系的创建

创建布撒器弹道仿真场景，在STK布撒器弹道仿真场景中利用Facility From Database网上数据库添加地面站，设置地面跟踪站的跟踪仰角最低为7°，并利用Vector Gemotry Tool在场景中设置地面站坐标轴，然后通过YPR旋转方法对地面站坐标轴进行坐标变换（滚动旋转-90°，俯仰不变，偏航旋转100°）如图6所示，完成发射坐标轴和发射坐标系的建立。

图5 姿态文件

图6 地面站坐标YPR变换

3.2.3 机载布撒器的添加

在仿真场景中添加布撒器对象，打开布撒器的Properties选项更改布撒器基本属性，在Basics-Trajectory页面将 Propagator选择“StkExternal”预报器代入布撒器飞行的星历文件，在Basics-Attitude页面Precomputed部分选中File代入布撒器飞行的姿态文件，在3D Graphics-Model页面添加布撒器3D MAX模型，完成步撒器弹道仿真的设置。

3.3 布撒器弹道仿真的显示

STK软件可以2D、3D及以对象为中心视角3种方式展示其弹道。以机载布撒器为中心视角时，需在场景3D Graphics工具栏上的View From/To按钮，设置为From Position to Position，对象选为布撒器，以布撒器为中心视角弹道如图7所示。

图7 机载布撒器三维弹道

3.4 布撒器弹道仿真分析

利用STK软件强大的分析能力，通过显示地面站对布撒器飞行的跟踪，来分析本次仿真的合理性如图8所示。图中显示地面站跟踪布撒器飞行的高度距离由9.6 km到0.2 km，符合布撒器飞行过程中高度的变换趋势；布撒器仰角由0°降至-85°，符合布撒器飞行过程中姿态的变换趋势，说明本次仿真较为真实，为布撒器后续改装提供了直观的参考。