雷达/红外复合制导并行仿真时空一致性研究

赵世明,孙致月,张 旗

(中国人民解放军91336部队,河北 秦皇岛 066000)



·光电对抗·

雷达/红外复合制导并行仿真时空一致性研究

赵世明,孙致月,张 旗

(中国人民解放军91336部队,河北 秦皇岛 066000)

针对雷达/红外双模复合制导导引头仿真试验需求,提出并设计了基于并行仿真的复合制导半实物仿真系统,重点研究了并行仿真关键技术时空一致性。详细分析了影响并行仿真时空一致性的主要因素,建立导弹姿态运动误差模型以及目标空间误差模型,依托并行仿真系统仿真模型定量分析了各因素对时空一致性影响程度,最后提出复合制导并行仿真时空一致性设计框架。

复合制导；半实物；并行仿真；时空一致性

1 引 言

随着现代电子对抗和信息技术的发展,以及作战环境的复杂多变,精确制导导弹将面临着严重的生存挑战。复合制导导弹以其出色的抗干扰和突防能力越来越受到重视,复合制导技术得到飞速发展。半实物仿真是检验导弹武器系统作战能力的重要手段,目前单模制导半实物仿真技术研究和系统建设已经成熟,而针对复合制导的仿真技术需要进一步研究以适应试验与评估需求。

国外20世纪90年代就开始了复合制导半实物仿真研究,国内研究起步较晚,近年来已有相关文献和系统建设成果,目标模拟主要是采用双波束组合器技术,但由于技术和工艺不成熟,与现实应用需求有较大差距[1]。一是波束组合器材质和工艺影响射频透射和红外反射信号特性,波束组合器架设机构对射频回波路径产生影响；二是由于红外目标模拟移动装置的局限性限定了只能开展开环仿真试验模式[2]。

针对上述问题,提出采用雷达制导和红外成像制导半实物仿真系统联合仿真的“并行联网”方式,可保证组合模拟信号的逼真度,半实物仿真试验设施可得到充分利用[3]。首先对复合制导半实物并行仿真系统进行了设计,详细分析和研究了系统关键技术时空一致性的主要影响因素,建立了时空一致性模型和定量描述方法,依托半实物并行仿真模型和系统误差模型定量分析了复合制导仿真系统的时空一致性,最后提出改善系统时空一致性的主要技术框架。

2 复合制导半实物并行仿真设计

基于“并行联网”方式的雷达/红外成像复合制导半实物仿真系统设计如图1所示。

图1 双模复合制导并行半实物仿真系统总体结构图

雷达制导仿真回路在射频仿真实验室内利用射频阵列和信号空间辐射方式模拟生成高逼真度的雷达目标回波信号和射频干扰信号,三轴转台承载雷达组件；红外制导仿真回路在光电暗室内利用红外场景投射方式模拟生成动态红外场景,五轴转台分别承载红外成像组件和红外场景生成设备；双模复合制导信息融合模块将雷达组件和红外成像组件输出的目标特性和状态信息进行信息融合和复合策略控制；弹道控制模块根据目标误差信号进行弹道仿真解算,解算结果分别控制导弹姿态模拟设备和目标模拟设备,使整个系统形成闭环仿真试验回路；仿真试验结果分析与评估模块完成复合制导跟踪性能和抗干扰能力的分析与评估；并行仿真系统基于实时网和以太网双网络体系结构。

半实物仿真系统并行仿真的系统差异性必然带来时空不一致性,影响仿真有效性和可信度,是构建复合制导并行半实物仿真系统所面临的主要技术难点。下面将重点分析研究复合制导半实物并行仿真的时空一致性。

3 时空一致性模型

时空不一致性通常表现为时间不一致、空间不一致和时空不一致,分别以时间不一致度、空间不一致度和时空不一致度作为对仿真时空不一致性定量描述,以评价时空不一致的行为效果。

时间不一致度:由于时钟不同步和时间延迟引入的仿真时间不一致的差异程度,用ΔT表示,ΔT=TL-TH,其中TL和TH分别为雷达制导仿真回路和红外制导仿真回路仿真时间坐标。

空间不一致度:同一仿真时刻、同一仿真对象在仿真时空中的空间坐标不一致的差异程度,用ΔS表示,空间位置通常采用矢量表示,空间不一致度用标量表示,即空间坐标矢量差的模:

(1)

其中，SL(xL,yL,zL)和SH(xH,yH,zH)分别为雷达制导仿真回路和红外制导仿真回路的空间坐标。

时空不一致度:分布式仿真系统的时空不一致程度,用Δθ表示:

Δθ=(t0,τ,ΔT,ΔS)

(2)

采用四元组表示时空不一致度,表示仿真时间t0开始的时间段τ内,存在时间不一致度ΔT和空间不一致度ΔS。

4 影响时空一致性问题分析

4.1 时钟不同步性问题

导弹制导半实物仿真系统以弹道仿真机为控制中心,系统仿真时钟和同步性控制也以弹道仿真机时钟和同步指令为准。如果并行仿真以各自弹道仿真机时钟同步,由于各计算机时钟的不一致性,将带来各系统对时间的观察和理解不一致进而导致仿真实体空间位置描述不一致,必将影响数据处理精度和仿真精度。

4.2 时间延迟不一致性问题

分布式仿真由于存在地域位置差异,信号处理和多级计算差异,信号传输的不确定性,必然具有数据计算和信号传输的延时,该延时也会带来对参数理解和数据处理上的差异。网络传输可靠性较差存在报文丢帧和错帧现象,也会带来不可忽略的仿真误差。

4.3 姿态模拟时空不一致

在复合制导并行仿真试验模式中,导弹姿态模拟设备需要同步模拟导弹飞行姿态,要求姿态相同、弹轴一致。两方面因素会造成姿态模拟时空不一致,一是姿态控制信息传输延迟,二是坐标变换及姿态模拟设备动静态特性不同带来的姿态模拟不同步。姿态模拟时空不一致将影响目标测量结果及导弹姿态和空间位置求解结果,从而影响仿真结果可信度。

4.4 目标模拟时空不一致

并行仿真试验模式要求雷达回波信号模拟和红外目标信号模拟能够同步模拟弹目相对方位和相对距离,目标模拟空间描述处理和方法要求一致。由于时间延迟与目标模拟起伏特性和位置控制误差也会带来目标模拟的时空不一致,影响仿真试验精度[4]。

5 时空不一致性定量分析

为定量分析复合制导并行仿真时空一致性,本文在MATLAB/Simulink环境下构建并行仿真系统仿真模型,总体结构如图2所示,上半部分为雷达制导回路模型,下半部分为红外制导回路模型,导弹模型采用典型反舰导弹弹道模型。在该仿真模型中,通过控制参数时间延迟及导弹姿态运动和目标模拟误差模型引入时空不一致,依据时空不一致对导弹脱靶量的影响程度定量分析并行仿真的时空一致性。

图2 双模复合制导并行仿真系统仿真模型结构图

5.1 导弹控制参数时间延迟

假设由于雷达制导回路航向控制信号信息传输延时发生的时间不一致度ΔT,导致弹道脱靶量误差即空间不一致度为ΔS,通过仿真,ΔT=0.1 s时导弹跟踪末端弹道比较结果如图3所示,不同延迟造成的导弹脱靶量偏差如表1所示。

图3 延时0.1s时导弹末端弹道和姿态角比较图

序号123456时间延迟/s0．10．040．020．010．0050．001脱靶量误差/m28．610．35．72．91．40．3

根据仿真结果,导弹脱靶量偏差随着航向控制信号时间延迟增大而增加,针对反舰类导弹仿真试验脱靶量要求,脱靶量偏差应该控制在米级,据表1仿真结果分析,并行仿真试验对时间不一致性可容忍值约为40 ms。实际半实物仿真控制参数信息传输时间延迟为毫秒级以内,另外,由于导弹仿真时间内计算机晶振误差可以控制在毫秒级以内,因此,控制参数传输时间延迟和时钟不同步带来的并行仿真时空不一致不会影响导引头信息融合对目标一致性判别。

5.2 导弹姿态和目标模拟不一致性

导弹制导半实物仿真系统依据弹道模型解算导弹欧拉角和弹目相对方位和距离信息,分别控制导弹姿态模拟设备和目标生成设备,由于导弹姿态和目标模拟误差因素引入的空间不一致,最终效应都是造成导引头对目标跟踪误差生成,进而影响弹道解算和命中精度,因此本节一并分析导弹姿态和目标模拟空间不一致性。

(1)导弹姿态模拟数学模型建立

导弹姿态模拟首先要解决同一弹体姿态控制信息作用下不同结构类型三轴转台导弹姿态模拟的一致性。立式三轴转台转动角度(φ1,θ1,γ1)与导弹欧拉角(φ,θ,γ)定义相同,其立式三轴转台控制信号即为弹道模型解算导弹欧拉角。卧式三轴转台转动角度(φ2,θ2,γ2)与导弹欧拉角(φ,θ,γ)定义不同,其转换关系如下:

(3)

从系统辨识的角度建立转台各轴运动模型,使得转台运动具有以下特性:①转台各轴系对输入信号具有跟随性,能够还原输入信号特征；②转台各轴系对输入信号的增益为1,即转台输出幅值等于输入信号幅值；③转台各轴系输出与输入信号具有同步性,即相位相同。转台各轴系用二阶系统进行描述,通过调整系统参数实现对转台的精确表达,二阶系统传递函数为:

(4)

式中,ωn为自然频率;ζ为阻尼比。

定义转台双十指标频率ωs:转台在一定频率带宽范围0～ωs内幅频和相频特性满足条件:

(5)

则:

其中:

(6)

(7)

因此根据转台双十指标频率ωs及阻尼比ζ即可建立满足频响要求的转台二阶系统运动模型[5]。

(2)导弹姿态运动误差模型建立

转台运动误差主要包括回转误差和静态误差,回转误差主要有倾角回转误差、径向回转误差、回转精度等；静态误差主要指同轴度、轴线相交度、垂直度等。转台运动误差对半实物仿真系统的影响通过空间误差传递矩阵T描述,采用多体运动学理论建立不同结构转台的误差传递模型,转台空间误差传递矩阵具有如下形式:

(8)

其中,矩阵元素Bij(i,j=1,2,3)描述了转台误差对导引头空间指向角度的影响;px,py,pz描述了转台误差对导引头空间位置的影响。采用导引头指向误差和位置偏移两项指标衡量转台误差对半实物仿真系统的影响。定义:

指向误差Δ:安装于转台上的导引头实际指向Δact与理想指向Δideal之间的角度偏差。

位置误差e:安装于转台上的导引头中心实际位置eact与理想位置eideal之间的位置偏差。

即:

Δ=Δact-Δideale=eact-eideal

(9)

将指向误差在姿态角方向进行分解,姿态角误差为:

(10)

位置误差为:

e=T·[tT,1]T-Tideal·[tT,1]T

(11)

以上各式中,φact,θact,γact分别为转台实际姿态角;φideal,θideal,γideal为理想姿态角。t为导引头中心上一点坐标,Tideal为转台理想运动传递矩阵。

(3)目标模拟空间误差模型建立

目标模拟空间误差对于雷达制导回路射频阵列来说主要指所模拟目标的位置闪烁,对于安装于五轴转台上的红外场景模拟设备来说主要由转台运动误差所致。目标模拟空间误差对半实物仿真的影响主要改变了导弹和目标的空间角位置关系,产生附加的空间指向误差和位置误差,与转台运动误差对半实物仿真试验的影响机理相同。将两者影响统一用导引头等效指向误差Δequ和等效位置误差eequ表示。

(4)空间一致性仿真分析

在并行仿真系统仿真模型中引入转台及目标模拟空间误差模型,分析空间误差对半实物仿真过程及结果的影响。通过调整转台轴线垂直度误差改变等效指向误差Δequ,调整转台轴线相交度改变等效位置误差eequ。保持雷达制导回路空间误差不变,改变红外制导回路空间误差,表2列出了不同指向误差情况下的最大空间不一致度ΔSmax及脱靶量偏差,定义:ΔSmax=max(ΔS)。

表2 指向误差对仿真试验结果影响

保持雷达制导回路指向误差为Δequ:Δφ=45.28″；Δθ=47.08″；Δγ=45.09″不变,红外制导回路指向误差取不同值,由表中数据可见,随红外制导回路指向误差逐渐接近雷达制导回路,两回路脱靶量偏差和ΔSmax值均具有变小的趋势,仿真试验结果的一致性显著增强。

图4 雷达、红外制导回路姿态角对比曲线(序号2)

表2中姿态角偏差均值是两个仿真回路在同一仿真时刻导弹姿态角差值的平均值,可见随指向误差接近,两回路仿真试验过程趋于一致。表明指向误差对半实物仿真试验空间一致性具有较大的影响,通过调整两回路指向误差的一致性可以有效保证并行仿真的空间一致性。图4为序号2时,雷达制导回路、红外制导回路仿真试验过程中姿态角对比曲线,图中横坐标为仿真时间,纵坐标为导弹姿态角。两回路导弹俯仰偏差ΔθAB和航向偏差均值ΔφAB为21.77″,当红外导引头在距离目标10 km内工作时,两个回路脱靶量偏差距离小于0.5 m,对舰船目标来说不影响雷达/红外复合导引头信息融合的目标一致性判别。

雷达、红外制导回路等效指向误差Δequ保持不变,改变红外制导回路等效位置误差eequ,仿真结果显示eequ改变时脱靶量偏差及ΔSmax值变化极小,表明等效位置误差不影响空间一致性。因为等效位置误差相对弹目距离是极小值,所以对导弹目标视线角影响很小。

6 时空一致性解决框架

上述并行仿真结果分析表明,以弹道仿真脱靶量偏差作为时空一致性判据,上述因素并未影响到复合制导信息融合对目标一致性的判别。但为保证并行仿真试验精度和可信度,必须做好系统总体设计。

(1)优化系统控制层,减小通信延迟

为减小多级控制所带来的网络通信和数据处理时间延迟,复合制导并行仿真仅采用一层控制层,雷达制导回路控制系统将作为并行仿真的控制层,红外制导仿真回路相关设备将作为节点接入雷达制导仿真回路。主要工作是雷达回路控制系统增加并行仿真控制模式,统一修订接口通信协议。

(2)优化同步性控制,提高时间一致性

并行仿真系统是在统一时统下同步仿真控制,将采用实时网络中断触发机制实现并行仿真系统的同步性控制。相应工作是雷达制导回路弹道仿真机作为并行仿真系统唯一弹道计算机,其他节点在弹道仿真机时钟控制下同步工作；最小化环形实时网络节点数,减小试验冗余。

(3)保证系统调试精度,提高空间一致性

本文仿真分析得出,导弹姿态模拟和目标模拟在当前设计指标和相关标定基础上,对空间一致性影响较小,但被试复合制导雷达组件和红外成像组件安装和调试中,导引头回转中心与三轴转台回转中心的不重合将会导致目标跟踪精度的下降,因此,在系统安装和调试中保证精度将提高并行仿真空间一致性。

7 结 论

针对复合制导试验需求,设计了基于并行仿真的复合制导半实物仿真系统,分析了时空一致性问题,并提出时空一致性解决框架。复合制导并行仿真系统将可开展以下试验模式,一是单模制导半实物仿真试验,独立完成雷达或红外制导导弹试验与鉴定；二是双模制导半实物仿真试验,通过并行仿真检验双模复合导引头对目标的跟踪性能；三是雷达、红外制导导弹双发齐射仿真试验及联合仿真应用研究。

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Study on space and time consistency of radar/IR compound guidance parallel simulation

ZHAO Shi-ming,SUN Zhi-yue,ZHANG Qi

(No.91336 Troop of PLA,Qinhuangdao 066000,China)

Aiming at simulation test requirement for Radar/IR dual mode compound guidance seeker,the HWIL simulation system for compound guidance based on parallel simulation is proposed and designed,the space and time consistency of parallel simulation key technology is studied.Main factors influencing space and time consistency of parallel simulation are analyzed in detail,the missile attitude motion error model and target space error model are built.The influence degree of various factors on the space and time consistency is analyzed quantitatively based on simulation model of parallel simulation system.Finally the design framework for the space and time consistency of compound guidance parallel simulation is put forward.

compound guidance;HWIL;parallel simulation;space and time consistency

1001-5078(2015)10-1249-06

赵世明(1978-),男,硕士,工程师,主要从事光电对抗及光电制导半实物仿真技术研究。E-mail:shmzhao@126.com

2015-02-05;

2015-03-06

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.021