精确制导战术武器半实物仿真技术综述

范世鹏 徐 平 吴 广 李 伶 祁 琪

北京航天自动控制研究所，北京100854



精确制导战术武器半实物仿真技术综述

范世鹏 徐 平 吴 广 李 伶 祁 琪

北京航天自动控制研究所，北京100854

随着精确制导武器的迅猛发展，半实物仿真(Hardware-in-the-loop-Simulation, HILS)技术因其具有更高的置信度和降低成本的优点而广泛应用于精确制导武器研制中，发挥着至关重要的作用。本文对制导武器HILS技术进行了全面总结，首先介绍了HILS系统的功能组成、系统误差、作用与意义3个方面，然后紧密追踪国外HILS平台建设的前沿动态，并从现状出发，阐述了该技术的未来发展趋势，对HILS技术的发展有借鉴意义。

制导武器；半实物仿真；误差分析；发展趋势

上世纪60年代，半实物仿真(Hardware-in- the-loop-Simulation, HILS)技术就被应用于响尾蛇导弹的导引头评估工作中[1]。新世纪以来，随着计算机科学与技术的蓬勃发展，HILS技术迅猛崛起，在仿真技术中已经占有不可或缺的一席之地[1]。

精确制导武器造价昂贵，利用HILS技术对导弹制导与控制系统等分系统进行无损性检测，以此减少研制过程中的飞行试验次数，是节省研制费用、加速研发进程的可行途径。据统计，在爱国者、罗兰特和尾刺的研制过程中，HILS技术的采用使实弹靶场试验数减少30%以上[1]。与此同时，HILS技术还是设计师迅速作出决策，改进技术与方案的坚实依据与支撑，缩短了研制周期，其效益是显而易见的。

HILS技术不仅是制导武器研究、发展、测试和评估的重要保障，也必将成为新技术革新与应用、型号改进和促进武器走向实战化的强大后盾。因此，HILS技术是军事强国必须攻克的一大关键技术。

在国内，HILS技术在导弹制导应用研究方面达到了较高水平。20世纪80年代我国建设了一批高水平、大规模的HILS系统。90年代，北京仿真中心成立，对分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究，先后建设多个战术导弹型号HILS实验室，包括微波目标环境仿真系统、惯性/光学复合制导仿真系统和多光路多波段可见光/红外成像仿真系统，开展了较大规模的复杂系统仿真，为我国运载型号和武器装备做出重大贡献[2]。

本文对制导武器HILS技术进行概述与总结。重点分析了系统误差及其影响，为设备指标论证和仿真系统升级提供理论依据。介绍了该技术在先进国家的发展现状，并阐明了该领域发展方向，为HILS技术的发展提供了参考。

1 HILS技术概述

HILS技术是一种利用设备模拟导弹飞行环境，并将部分弹上实物置于其中，且引入仿真回路的实时仿真方法。这种技术可以克服参试实物数学模型不精确的缺点，对其进行全方位、深层次的考核，在制导武器系统论证与评估中起到关键作用。

1.1 系统组成

不同制导体制武器的HILS系统所采用的相关设备有所不同[3-8]，但可将其归纳在5大基本要素之内，分别为弹体运动环境、参试部件、目标特性与作战环境、弹目相对几何关系和数学仿真部分，其基本构架如图1所示。

图1 制导武器HILS系统的基本结构

弹体三自由度姿态角运动大多通过三轴转台复现，作为硬件的搭载平台，通过相关设备复现弹目相对几何关系和目标特性，为仿真试验的参试部件(导引头、角速率陀螺等)创造相似的目标环境。仿真计算机完成数学仿真部分的运算任务，即建立大气模型、风干扰模型，接收弹上计算机输入的制导与控制指令，解算导弹运动学与动力学方程，分别为目标生成控制机和弹上计算机提供瞬时弹目相对关系和导弹当前部分飞行状态，为三轴转台实时更新弹体姿态指令。同时，控制仿真时序，管理各个仿真设备。

目前，国内外便于开发、已被广泛采用、技术成熟的HILS平台主要有dSPACE平台、RT-LAB平台、xPC双机平台和NI平台4种。尽管这4种平台在硬件配置、软件环境、产品特点和开发流程等方面都有所差别，但都具备完善的功能配置和常用模型库，能实现分布式的实时仿真，同时，都具有高度的集成性，便于用户使用。

(1) 仿真计算机

对HILS模型中无法通过实物代替或设备模拟来实现的部分，只能以仿真计算机数值计算完成。仿真计算机应具有较高的运算速度，快速完成数学部分仿真的非实时计算，保证仿真的实时性。美国在HILS技术的先进性之一就体现在配备高速高精度的仿真机，并在系统中采用了并行计算构架，成为分布交互式仿真的雏形。而且，仿真计算机是系统的核心，要与各功能模块实现通讯，必须具备相匹配的数字信号和模拟信号收发功能。在运算能力和可扩展性方面，德国dSPACE公司开发的实时仿真系统是这类产品最优秀的代表。

(2) 弹体运动模拟器

在各类HILS系统中，三轴转台为导引头和角速率陀螺等弹上器件创建弹体姿态运动环境，其动力学串联进入仿真回路，造成一定的幅值衰减和相位滞后，直接影响仿真的置信度。因此，必须保证转台在实际负载情况下具有良好的频域动态特性，满足相应的时域动态特性(最大角速度、最大角加速度、定位精度等)，同时严禁仿真模型发生姿态角剧烈变化。

(3) 目标特性模拟器

在目标模拟中，严格遵循多种特征相似性基本原则。红外、激光等点源目标的生成技术在工程应用中已经成熟。利用光学器件可得到不同波段的光波，通过调整光栏孔的大小和不同透射比滤光片的位置，分别改变光斑大小和辐射强度。电视成像制导方式的目标环境通过图形工作站生成，由仿真机提供弹目相对关系及导弹飞行状态，利用图像投影仪实时生成视景。微波暗室则是利用射频阵列，为雷达制导体制生成射频环境，考虑到微波的二次反射问题，暗室内壁贴附特殊的吸波材料。红外成像体制HILS运用了多种红外图像转换技术，目前出现了电阻阵列、激光二极管阵列、红外阴极射线管、光纤阵列二次辐射型图像技术等多种工程方案。基于悬置薄膜电阻阵列、激光二极管阵列的投影技术发展较快且最具潜力。

(4) 弹目视线运动模拟器

弹目视线的构建，是根据目标生成器、转台和幕布(或像元实体)之间的几何关系，严格遵循仿真技术相似原理，通过精确的角运动(两轴转台)或线运动(X-Y二维平移装置)2种方案而来。由于弹目视线运动相对缓慢，因此对模拟器动态特性的要求相对放低，但对于机动目标或终端过载不归零的制导系统，会在命中目标时刻引起设备剧烈运动。

1.2 误差分析与校正

HILS系统普遍存在的多项误差不容忽视，致使仿真试验置信度大打折扣，为此本文总结了工程上常规的HILS误差分析与校正方法。

HILS系统在室内环境构造弹目视线，所建立的几何模型与导引头、三轴转台和目标环境生成仪器等密切相关。而转台轴晃动误差、轴正交性误差、目标环境生成器安装误差、轴位置误差和器件安装误差等机械结构误差以及目标模拟器动力学等各类误差都会使室内构造的弹目视线与理论值存在差异，继而使制导指令有所偏差，最终使制导精度的置信度大为降低；而捷联制导体制导引头与弹体的强烈耦合，致使几何误差对其HILS系统的影响更为显著[9-12]。

为削弱系统误差的影响，目前，出现了2种处理方法：1)以主要误差源为参数，通过系统标定、辨识或优化等手段，建立和校验相应的误差模型；2)从系统的频域响应出发，通过校正网络等手段，补偿引起误差的幅相特性。

以某激光制导武器HILS系统为例，坐标系、参数等定义详见文献[8]。如图2所示，安装误差导致对仿真中的弹目视线构造不准确，仿真中的视线误差角与理论值差异很大，所得的弹道与理论弹道也将存在明显差异，从而使试验失去仿真验证的意义。文献[8]利用导引头跟踪试验，通过数学辨识手段校正了多项几何误差，提高了HILS置信水平。

图2 弹目视线误差的示意图

另外，包括仿真机在内的数字化设备带来A/D转换量化误差、截断误差和舍入误差[11]。为分析这类误差的影响，设T1为A/D转换时间，T2为计算执行时间，T3为D/A转换时间，记τ=T1+T2+T3，Ts为离散系统的采样周期。

图3 离散系统的等效频域特性

假设在系统的工作频段处均有ω·Ts<<1，则以上离散系统的等效频域特性近似等效为：

D(s)≈GA(s)e-(τ+Ts/2)s

(1)

由式(1)可知，仿真回路中的数字化采样可近似等效为纯延迟环节，同时不改变设备的动力学特性。2者都将造成系统相位滞后，工程上通过提高采样频率和加快设备频率响应和运算速度，削弱此类误差的影响，或对系统进行超前校正，主动补偿带来的相位滞后。

1.3 作用与意义

在制导武器研发中，HILS技术为工程方案设计、算法改进、硬件测试、性能评估和故障分析等提供试验支撑。随着HILS技术不断革新，通过静态与动态相结合、多层次全方位的验证与评估，形成“研制—改进—定型—生产—训练”一体化应用体系，大大降低了飞行验证的风险。

在方案论证阶段，依据总体任务完成各分系统的指标分解，分系统完成系统级的数学仿真验证工作，为单机部件级方案论证提供理论基础，并为各个单机部件分配相关指标与任务。同时，将单机部件的理论设计、数学仿真与“闭环、开环”半实物仿真相结合，开展产品研制工作；将可嵌入回路的单机产品逐一引入分系统HILS模型，再将各分系统产品依次引入HILS模型，最终构建为总体级HILS平台。在飞行包络内的各种战况下进行HILS验证，检验全过程各分系统间的匹配性以及各级产品性能指标的合理性，为飞行试验奠定坚实基础。利用小子样飞行试验数据，通过模型辨识进一步校核仿真模型，形成方案论证、产品研制与仿真验证大闭环，如图4所示。

图4 分层逐级HILS验证

目前，工程师通过HILS技术对弹上核心器件进行非破坏性仿真验证，达到考核导引头、角速率陀螺、弹载计算机以及导航、制导与控制算法等的目的[13-19]。

以导航器件多样性为背景，组合导航算法得以空前的发展，在导航精度与实时性上折衷；各传感器在原理、采样频率、测量精度与信噪比水平等方面各有不同，从而出现对应的最优估计与数据融合算法，通过HILS来验证其合理性、时效性与鲁棒性，势必成为工程化应用的有力保障。采用成像导引头的制导系统，其时空滤波、分割、旋转、缩放、锐化等图像处理技术和目标识别与跟踪算法对制导精度有重大影响，而对图像色调等参数、探测器特性以及各类算法很难准确地建立数学模型，且隔离度、天线罩误差、噪声干扰等导引头相关参数因产品而异。将成像导引头嵌入回路中，避免此类对象建模困难或模型不准确的问题，以此验证成像探测器等硬件和目标探测与识别等算法，也有助于在特定硬件水平下改进算法，提高系统的可靠性与鲁棒性。弹上控制系统使用包括模糊控制、神经网络等在内的非线性智能控制，其控制性能往往依赖于核心器件的各项指标，在多种作战场景下，HILS技术可综合分析与评估其有效性。

此外，HILS试验可监测单机器件和各级电路的工作状态，复现故障现象，为故障诊断提供模拟平台。HILS技术，还可用于校准复杂被控对象的数学模型；在项目管理方面，这种技术能有效减少决策的盲目性；在制导武器作战人员操作训练与指挥方面，HILS发挥着不可替代的作用，尤其是“人在回路”制导体制，通过基于虚拟现实技术的射手平台操作训练，可显著提升人员的作战能力，减少演练耗弹。图5为美军用于实战化士兵训练的沉浸式HILS训练平台。

图5 HILS平台的战场训练

2 国外发展现状

针对制导武器加速研制的迫切需求，世界各国重视HILS技术的发展，竞相开展相关的理论研究与工程应用。目前，美国为首的军事强国已完成多种制导武器HILS平台建设，代表了当前先进水平。

位于美国Alabama州红石兵工厂的陆军导弹司令部高级仿真中心(ASC)已构建多个型号制导武器HILS平台。ASC把HILS作为陆军先进精确制导武器系统开发的重要工具，为美国陆军及其盟国提供了高精度的可靠HILS验证支持。1975年以来，ASC共开发了14个HILS平台，包括红外成像系统仿真、RF仿真系统和多频谱仿真系统，光电三模制导武器仿真系统等。美国Florida州埃格林空军基地试验中心负责开发空军制导武器系统的测试仿真平台，构建了全频谱范围内末端制导传感器HILS平台，射频/毫米波/红外/激光/GPS仿真器一应俱全。1980年具备为2～18GHz范围内主动或被动射频导引头提供HILS试验的能力，曾为空空战术导弹和雷达制导武器提供过现代化实用HILS设备[19]。

图6 美国埃格林试验中心五轴转台

来自英国牛津大学的Marko首次将风洞设施引入HILS系统中[17-18]。图7为其所研制的仿真平台所使用的风洞设备。这种引入气动力/力矩的半实物仿真系统的基本原理如图8所示。

图7 Marko研制的用于HILS的风洞设备

图8 将风洞引入仿真回路的HILS系统

系统管理中枢根据导弹当前飞行状态实时控制喷流速度与密度，建立满足相似性的流场，将铰链力矩、飞行器结构颤振和下洗涡流所引起的力学畸变等非线性因素引入了仿真回路，由传感器测量在控制面指令下导弹所受的气动力与力矩，更逼真的仿真环境使仿真的置信度进一步提高。将风洞实验融入HILS试验，其涉及流体力学、控制、通讯和机械制造多个学科领域，是HILS技术的一个里程碑。

3 发展趋势

美国在该技术领域的先进性就体现在有最先进的物理环境模拟设备，在HILS技术起步阶段，美国用于模拟弹体运动的转台以精度高、带宽大和动态性能好而著称；在图像制导盛行的今天，本文提到的多种红外图像生成技术大多出自美国，且引领着当前的发展潮流，可以看出HILS技术发展中一条重要经验：HILS技术的发展更依赖于作战环境模拟技术。

Marko提出的方案首次建立了力/结构/流场耦合物理场[17]，使HILS技术迈出了实质性的一步。真实作战环境是更为复杂的力/热/光谱/结构/流场/控制等多物理场耦合系统，通过设备创建的作战环境越逼真，则HILS的置信度越高。因而，HILS的关键技术已不再停留在三维特征图像保真重构等单个物理场的构造上，取而代之的多物理场耦合模型实现技术是HILS技术在未来发展中亟待突破的核心技术，这也使高速计算、交互分布式、虚拟技术和协同仿真等成为未来的发展方向。

在攻与防“单武器对单目标”的HILS技术还有待较长时间的发展与完善，将来有望发展到“编队作战”体系化层面上，即“多武器对多目标”HILS验证。导弹编队协同作战是应对反导系统的唯一途径，但其飞行验证难以实施，且成本巨大。基于“单对单”的成熟技术，通过HILS平台呈现实时整个战场攻防态势，是实现弹间实时通讯、协同作战和任务规划全程有效验证最具说服力的手段，能为指挥官决策和制导武器协同作战理论发展提供有力支撑。

HILS系统的各个设备将会全面升级。新一代制导武器的机动性能将大幅度提升，弹体动态范围更大，要求相应的转台模拟器精度更高、时域响应更快和频率响应跨度更大；特征图像、无线电、星矢环境生成的模拟设备及导引头、导航器件等弹上系统更为复杂，以通讯技术、高性能计算集群和并行计算技术为后盾，大幅度提升数据运算处理和交换传输的速度，以满足HILS对实时性的要求。

另外，早期的HILS平台，通常是根据用途与任务而研制的非标准件。随着HILS技术的日益成熟，HILS平台设备、接口协议以及仿真模型的标准化、系统化和人性化也将成为必然的发展趋势。

4 总结

现代战争促使武器系统向复杂、精密、可靠的趋势发展下去，且成本越来越高。HILS试验不仅在效费比方面的优势相比飞行试验更为凸显，而且是提高复杂系统可靠性最有效的手段。可以预见，HILS技术的突破，将有力地推动未来制导武器的跨越式发展。然而，作战环境的复杂性使HILS技术仍滞后于工程需求，在未来的发展道路上面临着巨大挑战，HILS技术仍有待进一步的完善。

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An Overview of Hardware-in-the-Loop Simulation Technique for Precision-Guided Tactical Weapon

Fan Shipeng, Xu Ping, Wu Guang, Li Ling, Qi qi

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Withtherapiddevelopmentofprecision-guidedmunitions,Hardware-in-the-loop-simulation(HILS)techniqueiswidespreadadoptedasaverificationandvalidationmethodduetoitshigherfidelitythanothersandlowcostandplaysansignificantroleTheHILStechniquesforguidedmunitionsaresummarizedinthispaper.Firstly,functionalcomponents,errorsanalysisandmotivationofHILSsystemareintroduced.Then,theoverseaforefrontofHILStechniqueisdescribedindetail.Finally,bytakingcurrentsituationintoaccount,thedevelopmenttrendofHILSisexpatiated,whichcanserveasareferencefordevelopmentofHILStechnique.

Guidedweapon;Hardware-in-the-loop-Simulation;Erroranalysis;Developmenttrend

2016-01-08

范世鹏(1986-)，男，山西运城人，博士后，主要研究方向为飞行器制导与控制、半实物仿真；徐 平(1985-),男，江西南昌人，博士，高级工程师，主要研究方向为精确制导技术；吴 广(1982-),男，天津静海人，硕士，工程师，主要研究方向为飞行器制导系统设计；李 伶(1972-)，女，湖北赤壁人，博士，研究员，主要研究方向为飞行器制导、控制与仿真；祁 琪(1991-)，女，青岛人，硕士生，主要研究方向为导航、制导与控制。

TJ765.4

A

1006-3242(2016)03-0066-07