无人机载武器预先准备控制逻辑和仿真研究

聂光戍，王 勇，邢 驰，谢 磊

（空军工程大学航空工程学院，西安710038）

1 引 言

在当前多个局部冲突中，无人机对地攻击效果显著，但这种攻击仍依赖于“人在回路”的地面操控和地面站与无人机之间的数据通讯。无人机真正完全独立自主的对目标进行攻击将是未来的发展方向，这离不开无人机自主攻击决策系统。自主攻击决策系统是无人作战飞机完成作战任务的重要系统，包括目标信息传感器和任务软件。而任务软件必须具备的功能之一是进行武器发射/投放前的预先准备以满足发射/投放条件。目前对无人机自主攻击的研究主要集中于航迹规划、攻击决策、态势评估等方面［1-2］，本文着重于对无人机自主决策攻击系统的武器预先准备控制逻辑进行分析和仿真建模，为自主决策攻击系统的优化打下基础。

2 机载武器预先准备的特点

机载武器的预先准备根据武器类型不同而不同，总体上包括以下几个方面：武器所需不同状态电压电流的供给，武器导引头位标器的目标指示，陀螺定位仪校准和武器投放或发射初始条件的输入，武器导引程序的输入，引信起动控制和引信设定值的输入等。相应地，在武器的组成中包括以下部分：武器电源供应部件、目标指示部件、陀螺定位仪校准部件和投放或发射初始条件输入部件、导引程序输入部件、引信起动控制仪和引信设定值输入部件等。在无人机的自主攻击决策系统中有不同武器的任务软件，根据任务软件的调度，进行该种武器发射前的预先准备［3］。

3 机载武器预先准备模型结构和控制逻辑

3.1 电源供应部件模型结构和控制逻辑

电源供应部件的功能主要是保证在发射或投放前由载机供电、发射或投放后转换为由武器自身供电，在供电转换时对武器自身供电的参数进行判断以确定是否达标。电源供应部件包括变流器和稳压器、武器自身电源鉴别部件和转换电路等［4］。变流器和稳压器将载机来的电源转换成适合于武器的电源；武器自身电源鉴别部件用于检验武器所产生的电源是否达到标称值；转换电路用于由电源供应部件供电转换到武器自身供电，并形成允许武器分离的信号。

图1 是电源供应部件的模型结构和控制逻辑图。载机给电源变换器和稳定器及转换电路供电后形成指令S2，在转换电路的作用下断开武器的自身供电。电源变流器和稳压器产生电压U1、U2、…Un给需要者。这种状态保持到武器分离前。

在有指令S0时进入到武器自身电源状态，产生的电压U′供给鉴定部件，在电压的被测参数达到标称值时鉴定部件形成指令S1，在S1的作用下转换电路取消指令S2并形成指令S3。指令S2的取消促使电源变换器和稳定器断开，武器转为自身供电。指令S3传给机载计算机系统以表示允许武器分离。

3.2 导引头目标指示部件模型结构和控制逻辑

导弹导引头的类型不同，其目标指示的工作过程不同，相应的控制逻辑就不同。现以红外导引头的目标指示过程为例分析其模型结构和控制逻辑。

图1 电源供应部件模型结构和控制逻辑Fig.1 The mode structure and control logic of electric power supply component

红外导引头目标指示部件的主要功能是在导弹发射前控制导引头对目标选择截获、检验截获目标可靠性、形成发射前准备好的导引头指令及将导引头转到自动跟踪目标的状态。

目标指示的第一个阶段——对目标选择截获，选择截获目标的功能由目标选择截获控制系统来完成，在目标指示过程中它与无人机瞄准系统和导弹导引头相互作用，该功能在瞄准过程中紧随着瞄准任务而完成，是目标指示的第一个阶段。

为了实现对目标的选择截获必须提供被选择截获目标的典型特征信息［5］。这些典型特征信息通常指目标到攻击机的距离、目标角坐标、目标接近或离开攻击机的速度及瞄准线角速度等。

瞄准导航系统传感器获取目标的信息，用于调整位标器定向角、位标器轴的转动角速度和其它参数。根据进入到目标指示部件的信息，目标选择截获控制系统形成相应的误差信号，并形成控制指令传到导引头的执行装置中。在这些指令的作用下，所选目标的信号通过导引头的接收通道，并调整导引头。导引头的调整误差信号为0 时表示达到了所需的调整，目标选择截获控制到此结束。

目标指示的第二个阶段——检验导引头截获目标的可靠性，采用有用目标信号和人为输入干扰信号的比较、目标信号频率振幅分析等手段来检验。

目标指示的两个阶段可重合在一起。如果检验结果表明截获可靠性不高，系统需转回到第一个阶段，如此反复，直到截获可靠为止。

目标指示的第三个阶段——形成导弹发射前导引头准备好的指令，并将导引头转到自动跟踪目标的状态，这是在可靠截获目标的情况下完成的［6］。这个指令通常是在导引头截获目标可靠性检验系统中形成的，它是导弹发射的必须条件之一。

目标指示部件模型结构和控制逻辑如图2 所示。根据由瞄准导航系统进入来的信息p（关于所选择目标的标志），以及由位标器给出的实际参数量q，选择截获控制系统得出误差信号Δ=p-q，并形成控制指令U（Δ），传给位标器执行装置，使位标器进入到所需的状态，当误差信号Δ=0 时位标器开始接收所选择目标的信号，即实现它的截获。同时信号Δ进入到目标截获可靠性检验系统，当Δ=0 时，形成指令S1，在指令S1的作用下位标器转入到自动跟踪目标的状态，同时目标信号r进入到目标截获可靠性检验系统。在对这个信号进行分析并得出可靠的截获目标时，形成导弹发射前导引头准备好的指令S2。

图2 导引头目标指示部件的模型结构和控制逻辑Fig.2 The mode structure and control logic of target indication component of seeker

在有些情况下信号r不进入目标指示部件中，是否可靠地截获目标要根据误差信号Δ的大小确定。随着信号S1形成，位标器的调整被干扰，导致信号Δ增大。如果这个干扰被位标器自动跟踪系统补偿，并且稳定地接收目标信号，目标截获可靠性检验系统形成指令S2。

3.3 其它预先准备的控制逻辑

导引程序输入部件用于向武器输入导引程序，导引武器飞向目标。根据攻击条件、目标的性质和其它影响因素的不同，飞行弹道会有所不同，具体表现为武器的飞行路线、在飞行路线上固定点处的参数值（飞行方向、高度、速度及它们随时间的变化等）不同［7］。在武器的预先准备过程中从载机的火控系统向武器传送有序的运动参数值集合（按武器飞行路线固定点号），这些参数值是通过程序预先设定的。发射后在飞行弹道上相应的弹载传感器测量武器运动参数，构成武器运动参数测量值。按照所需值和测量值形成失调量，进一步形成控制信号，从而完成在该固定点处的导引控制［8］。

引信起动控制仪由起动系统、爆炸系统和自炸系统组成。起动和爆炸系统用于在平时保存、飞机上运输和在弹道上处于禁止爆炸的区域范围内飞行时排除武器爆炸的可能性。自炸系统用于在自主飞行弹道上脱靶或出现应急情况时，为了保证己方地面部队和财产安全或保密方面的考虑而销毁武器［9］。对于无控炸弹而言，其控制逻辑相对简单，主要就是通过爆控机构、挂机索和爆控拉杆控制引信的起动。根据作战任务，通过输入部件完成远解保险时间和延期作用时间的装订。对于导弹而言，引信的工作受导弹飞控组件的控制，在飞行过程中和与目标遭遇时按照一定的控制逻辑进行，不属于预先准备的程序。

根据武器的不同，还有其它一些预先准备程序，如红外导引头的制冷、陀螺定位仪校准和武器投放或发射初始条件的输入等，都可作出类似的模型结构和控制逻辑分析。

4 机载武器预先准备的仿真

4.1 仿真方案

设计仿真实验用以检验各种武器预先准备的控制逻辑［10］，武器预先准备控制逻辑仿真框架如图3 所示。仿真计算机中存有各种武器的预先准备程序，武器类型不同，预先准备的程序不同，图中给出了几种典型的预先准备功能仿真模块：电源变换部件仿真模块、目标指示部件仿真模块、导引程序输入部件仿真模块和引信设定输入部件仿真模块。各仿真模块传给武器的信号用X4i（i=1～4）表示。各种功能仿真模块和信息变换通道的接通或断开由指令Ui（i=1～4）控制，指令Ui由仿真计算机控制。以Si（i=1～4）表示完成相应操作后武器的回馈信号，而关于武器状态良好性的信息以S0表示。

图3 武器预先准备控制逻辑仿真框架Fig.3 The simulation framework of the pre-preparation control logic of the weapon

4.2 仿真实验控制逻辑

回馈信号S1进入武器预先准备程序仿真计算机的条件是：武器良好（信号S0存在），电源供应部件与对应的信息变换通道接通（U1指令存在），电源进入武器（信号X41存在）。机载计算机根据回馈信号S1的进入［11］，确定电源供应的完成，有如下控制逻辑表达式：

对回馈信号S2、S3、S4可写出类似的表达式：

假设某种武器预先准备时需要完成电源供应、导引程序输入和引信设定（该种武器无需目标指示），那么回馈信号S1、S3、S4进入到机载计算机中，这说明已完成了发射前的准备操作，实现了从电源供应部件来的电源供应（S1=1），进行了导引程序的输入（S3=1）和对引信装置按需要进行了调整（S4=1）。此后，在机载计算机中形成信号ZH，用以表示武器非良好或未准备好运用，ZH可表示为：

将S1、S2、S3、S4的表达式代入并变化得：

根据武器预先准备内容的不同，可写出相应的预先准备控制逻辑表达式。

4.3 仿真结论

式（6）表示，如果某种武器的某一自动装置非良好（-S0=1），或某一信息变换通道未接通（-Ui=1，i=2～4），或某个信号X4i未进入到武器自动装置（-X4i=1，i=2～4），那么武器被认为非良好或未准备好运用，就不能进行发射或投放；相反，如果ZH=0，那么武器被认为准备好了，作为武器发射或投放的判定条件［12］。武器准备好，并且处于攻击区或满足发射/投放的距离角度条件，就可以自主发射或投放该武器［13］。通过仿真可验证该控制逻辑是否正确。

利用武器发射前预先准备的控制逻辑，在地面可以进行武器半实物或计算机仿真，对武器和无人机的自主攻击决策系统的发射控制程序进行联合设计和检验［14］。

5 结 论

自主攻击决策系统对无人机载武器进行发射/投放前的预先准备是其功能之一，在根据目标选定武器后，通过机载计算机武器预先准备程序，根据选定武器的特点进行发射前的预先准备。对无人机载武器预先准备模型结构和控制逻辑的分析研究将为自主攻击决策系统控制程序的优化打下基础。在融入人工智能技术并与实时信息网柔性结合后，自主攻击决策系统将更为先进，无人机将可以执行各种更为复杂的作战任务，甚至包括将来的无人机空战［15］。