某型导引头半物理仿真系统设计

王 欢，白 杨，江 晟

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033)

全捷联电视导引头是图像制导武器的核心部分，其性能直接影响导弹的制导及飞行控制信号，对导弹的精确末制导打击性能起着关键作用。作为精确制导武器研制过程中的重要过程，半物理仿真能够在地面环境下，较为真实反映目标探测、制导控制等部分构成的全系统的动态与静态特性，进而对系统的整体性能进行验证和评价，大约有90%左右的导弹系统评估参数来自半物理仿真实验［1-3］。

张凯［4］、张崇斌［5］等通过模拟器的方式实现对导引头中的测试，实现条件需要软硬件配合，较为复杂并且缺乏直观性;邵立勇［6］等通过Virtools 实现了导弹导引头攻击直升机的动态演示仿真，齐竹昌［7］等通过Vega Prime 演示了导引头攻击目标过程中飞行姿态的变化进行弹道分析和设计，视景工作仅用于演示，未能在实际测试闭环中发挥作用; 靳文平［8］等通过红外图像注入系统实现对红外导引头的半物理测试，注入系统针对性较强，不具普适性。而可视化仿真技术把仿真中的数字信息变为直观的、以图形图像形式表示出来，在航空航天、军事中发挥着越来越重要的作用［9］。在对导引头半物理系统基础上，本文对基于Unity3D 的可视化仿真系统进行了研究，建立了可视化仿真和典型目标模型，分析了半物理仿真系统的基本组成、实现流程及关键技术。最后建立起一套可视化半物理仿真平台，成功完成了导引头的闭环测试。

1 半物理系统方案设计及组成

全捷联电视导引头半物理仿真系统由可视化仿真系统、导引头、制导系统、姿态自动驾驶仪、舵机、模型仿真机、转台及IMU 组成，如图1 所示。

图1 仿真系统框架图

1.1 层流区、紊流区气动加热计算

图2 视景系统位置示意图

可视化仿真系统主要包括可视化仿真机、投影仪和投影幕，为导引头提供拟真的作战环境，其中搭载导引头的转台与可视化仿真系统的相对位置关系如图2 所示。模拟战场环境基于Unity3D 实现，主要包括战场地形创建(图3)、目标建立及配置(图4)、环境参数(天空、地面、光照度等)配置(图5)，最后导出可执行程序文件。

图3 战场地形图

图4 典型目标图

图5 战场环境中的天空、地面及强弱光照图

1.2 制导律

针对全捷联电视导引头特点，本文采用弹体追踪法作为制导律。假定导弹为一可控质量的质点M，以恒定的速度V飞向目标T，如图6 所示，弹体追踪法体现的导弹与目标的相对运动位置关系为

式(1)中:r 导弹与目标相对距离;V、VT分别代表导弹、目标的速度;q 代表弹体纵轴与目标速度矢量夹角;α 导弹攻角;ϑ为俯仰角;θ 为弹道倾角。

本文导弹打击静止坦克目标，即VT=0，式(1)可简化为

图6 视景系统位置示意图

1.3 全捷联电视导引头

针对导弹高速打击特点，图像处理平台选取DSP-FPGA复合架构，如图7 其中FPGA 板(第2 层)提供各种数据接口，DSP(第1 层)主要负责对图像处理算法的运算。此架构系统处理帧频可达50 Hz，其快速性满足导弹末制导指令需求。

图7 全捷联电视导引头及图像跟踪器硬件平台

2 可视化仿真标定

小孔成像原理如图8 所示，OXY 表示光学平面，O 表示光心，oxy 表示CCD 成像平面坐标，P 表示惯性系下的真实目标，oxy 下的p 表示目标在像平面的像。

图8 小孔成像原理示意图

根据相机基本参数，CCD 面阵1 024 ×768 pixel，象元大小s=5.5 μm，焦距f=13.5 mm，目标距离光学成像中心w=1.2 km，目标高度P=2.3 m，因此根据式(3)可计算目标在成像平面上大小

计算可得目标成像大小p=25.875 μm，则目标成像占像平面像素数为p/s =5 pixel，通过Matlab 采集的目标大小适时调整投影仪投射大小以及幕布的距离(图9)，最终确定导引头鱼投影之间距离L1=0.5 m，投影仪与幕布之间距离为L2=2.3 m，导引头传输的脱靶量数据信息通过弹体动力学模型进行数据直接补偿，进而确定图像中心位置。

图9 Matlab/Simulink 采集的目标图像

3 仿真分析

针对该全捷联电视导引头项目需求进行半物理仿真，仿真环境及条件如表1 所示。

表1 半物理仿真条件

在仿真试验中:

1)通过弹体动力学模型仿真计算机确定弹体及目标的初始位置、姿态，通过RS232 传送至可视化仿真机，由投影仪投影至幕布展现战场环境。

2)通过导引头上位机对导引头进行自检、对时、工作状态确定等指令，进行人工目标识别及锁定，使能导引头进入目标跟踪状态。

3)启动飞行仿真，制导系统通过接收导引头目标脱靶量信息导向并最终摧毁目标，仿真结束。

在整个目标打击过程中，导引头跟踪目标准确、稳定，跟踪误差(目标充满视场之前)在3 个像素之内，目标打击视频序列如图10 所示。

图11 展现了导弹的纵向平面内弹道曲线，如图12 所示，数字仿真和半物理仿真条件下的导引头脱靶量数据对比可知，导引头平面误差角在0.09°之内。图13 显示在俯仰方向，半物理弹目视线角速度值与理论仿真值之差小于0.17 deg/s，图14 显示过载指令ayc≤2 g，满足弹体制导控制指标需求，能够实现导引头的精确打击。

图10 导弹打击目标过程视频序列

图11 导弹弹道曲线

图12 导引头平面误差角

图13 俯仰方向的弹目视线角速度

图14 导弹过载指令

4 结论

本文搭建的基于Unity3D 的可视化半物理仿真系统，获取导弹的弹道和姿态角等信息，高效地模拟了战场环境和导弹打击目标过程:目标脱靶量误差值小于0.09°;弹目视线角速度误差值小于0.17 deg/s。

完成了导引头的闭环仿真测试，实现了目标的精确打击试验，验证了可视化半物理平台的正确性和有效性，可为导弹导引头跟踪系统和制导系统的验证提供有效的试验保障手段。

［1］沈永福，邓方林，柯熙政.激光制导炸弹导引头半实物仿真系统方案设计［J］.红外与激光工程，2002，31(2):166-169.

［2］龚铮，武文峰.某型试飞器半实物仿真系统的设计［J］.四川兵工学报，2013(7):7-10.

［3］孔德永.鱼雷武器控制系统半实物仿真系统设计与实现［J］.四川兵工学报，2012(6):1-5.

［4］张凯，孙力，闫杰.基于DMD 的红外场景仿真器设计及测试［J］.红外与激光工程，2008(37):369-372.

［5］张崇斌，白云，龙振国，等.导引头目标模拟器设计与实现［J］.火力与指挥控制，2012，37(10):165-168.

［6］邵立勇，徐劲祥，李美红，等.反直升机导弹视景仿真系统研究［J］.战术导弹技术，2014(1):94-99.

［7］齐竹昌，刘莉，龙腾，等.基于Vega Prime 的弹道视景准实时仿真研究［J］. 弹箭与制导学报，2013，33(1):145-149.

［8］靳文平，符文星，肖堃，等.红外导引头半实物仿真中红外图像注入器设计［J］.电子设计工程，2014，22(2):159-161.

［9］黄柯棣，刘宝宏. 作战仿真综述［J］. 系统仿真学报，2004，16(9):1887-1895.