王 歡，白 楊，江 晟

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)

全捷聯(lián)電視導(dǎo)引頭是圖像制導(dǎo)武器的核心部分，其性能直接影響導(dǎo)彈的制導(dǎo)及飛行控制信號(hào)，對(duì)導(dǎo)彈的精確末制導(dǎo)打擊性能起著關(guān)鍵作用。作為精確制導(dǎo)武器研制過(guò)程中的重要過(guò)程，半物理仿真能夠在地面環(huán)境下，較為真實(shí)反映目標(biāo)探測(cè)、制導(dǎo)控制等部分構(gòu)成的全系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，大約有90%左右的導(dǎo)彈系統(tǒng)評(píng)估參數(shù)來(lái)自半物理仿真實(shí)驗(yàn)［1-3］。

張凱［4］、張崇斌［5］等通過(guò)模擬器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)引頭中的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)條件需要軟硬件配合，較為復(fù)雜并且缺乏直觀(guān)性;邵立勇［6］等通過(guò)Virtools 實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈導(dǎo)引頭攻擊直升機(jī)的動(dòng)態(tài)演示仿真，齊竹昌［7］等通過(guò)Vega Prime 演示了導(dǎo)引頭攻擊目標(biāo)過(guò)程中飛行姿態(tài)的變化進(jìn)行彈道分析和設(shè)計(jì)，視景工作僅用于演示，未能在實(shí)際測(cè)試閉環(huán)中發(fā)揮作用; 靳文平［8］等通過(guò)紅外圖像注入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外導(dǎo)引頭的半物理測(cè)試，注入系統(tǒng)針對(duì)性較強(qiáng)，不具普適性。而可視化仿真技術(shù)把仿真中的數(shù)字信息變?yōu)橹庇^(guān)的、以圖形圖像形式表示出來(lái)，在航空航天、軍事中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［9］。在對(duì)導(dǎo)引頭半物理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，本文對(duì)基于Unity3D 的可視化仿真系統(tǒng)進(jìn)行了研究，建立了可視化仿真和典型目標(biāo)模型，分析了半物理仿真系統(tǒng)的基本組成、實(shí)現(xiàn)流程及關(guān)鍵技術(shù)。最后建立起一套可視化半物理仿真平臺(tái)，成功完成了導(dǎo)引頭的閉環(huán)測(cè)試。

1 半物理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及組成

全捷聯(lián)電視導(dǎo)引頭半物理仿真系統(tǒng)由可視化仿真系統(tǒng)、導(dǎo)引頭、制導(dǎo)系統(tǒng)、姿態(tài)自動(dòng)駕駛儀、舵機(jī)、模型仿真機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)及IMU 組成，如圖1 所示。

圖1 仿真系統(tǒng)框架圖

1.1 層流區(qū)、紊流區(qū)氣動(dòng)加熱計(jì)算

圖2 視景系統(tǒng)位置示意圖

可視化仿真系統(tǒng)主要包括可視化仿真機(jī)、投影儀和投影幕，為導(dǎo)引頭提供擬真的作戰(zhàn)環(huán)境，其中搭載導(dǎo)引頭的轉(zhuǎn)臺(tái)與可視化仿真系統(tǒng)的相對(duì)位置關(guān)系如圖2 所示。模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境基于Unity3D 實(shí)現(xiàn)，主要包括戰(zhàn)場(chǎng)地形創(chuàng)建(圖3)、目標(biāo)建立及配置(圖4)、環(huán)境參數(shù)(天空、地面、光照度等)配置(圖5)，最后導(dǎo)出可執(zhí)行程序文件。

圖3 戰(zhàn)場(chǎng)地形圖

圖4 典型目標(biāo)圖

圖5 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的天空、地面及強(qiáng)弱光照?qǐng)D

1.2 制導(dǎo)律

針對(duì)全捷聯(lián)電視導(dǎo)引頭特點(diǎn)，本文采用彈體追蹤法作為制導(dǎo)律。假定導(dǎo)彈為一可控質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)M，以恒定的速度V飛向目標(biāo)T，如圖6 所示，彈體追蹤法體現(xiàn)的導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系為

式(1)中:r 導(dǎo)彈與目標(biāo)相對(duì)距離;V、VT分別代表導(dǎo)彈、目標(biāo)的速度;q 代表彈體縱軸與目標(biāo)速度矢量夾角;α 導(dǎo)彈攻角;?為俯仰角;θ 為彈道傾角。

本文導(dǎo)彈打擊靜止坦克目標(biāo)，即VT=0，式(1)可簡(jiǎn)化為

圖6 視景系統(tǒng)位置示意圖

1.3 全捷聯(lián)電視導(dǎo)引頭

針對(duì)導(dǎo)彈高速打擊特點(diǎn)，圖像處理平臺(tái)選取DSP-FPGA復(fù)合架構(gòu)，如圖7 其中FPGA 板(第2 層)提供各種數(shù)據(jù)接口，DSP(第1 層)主要負(fù)責(zé)對(duì)圖像處理算法的運(yùn)算。此架構(gòu)系統(tǒng)處理幀頻可達(dá)50 Hz，其快速性滿(mǎn)足導(dǎo)彈末制導(dǎo)指令需求。

圖7 全捷聯(lián)電視導(dǎo)引頭及圖像跟蹤器硬件平臺(tái)

2 可視化仿真標(biāo)定

小孔成像原理如圖8 所示，OXY 表示光學(xué)平面，O 表示光心，oxy 表示CCD 成像平面坐標(biāo)，P 表示慣性系下的真實(shí)目標(biāo)，oxy 下的p 表示目標(biāo)在像平面的像。

圖8 小孔成像原理示意圖

根據(jù)相機(jī)基本參數(shù)，CCD 面陣1 024 ×768 pixel，象元大小s=5.5 μm，焦距f=13.5 mm，目標(biāo)距離光學(xué)成像中心w=1.2 km，目標(biāo)高度P=2.3 m，因此根據(jù)式(3)可計(jì)算目標(biāo)在成像平面上大小

計(jì)算可得目標(biāo)成像大小p=25.875 μm，則目標(biāo)成像占像平面像素?cái)?shù)為p/s =5 pixel，通過(guò)Matlab 采集的目標(biāo)大小適時(shí)調(diào)整投影儀投射大小以及幕布的距離(圖9)，最終確定導(dǎo)引頭魚(yú)投影之間距離L1=0.5 m，投影儀與幕布之間距離為L(zhǎng)2=2.3 m，導(dǎo)引頭傳輸?shù)拿摪辛繑?shù)據(jù)信息通過(guò)彈體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)直接補(bǔ)償，進(jìn)而確定圖像中心位置。

圖9 Matlab/Simulink 采集的目標(biāo)圖像

3 仿真分析

針對(duì)該全捷聯(lián)電視導(dǎo)引頭項(xiàng)目需求進(jìn)行半物理仿真，仿真環(huán)境及條件如表1 所示。

表1 半物理仿真條件

在仿真試驗(yàn)中:

1)通過(guò)彈體動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算機(jī)確定彈體及目標(biāo)的初始位置、姿態(tài)，通過(guò)RS232 傳送至可視化仿真機(jī)，由投影儀投影至幕布展現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

2)通過(guò)導(dǎo)引頭上位機(jī)對(duì)導(dǎo)引頭進(jìn)行自檢、對(duì)時(shí)、工作狀態(tài)確定等指令，進(jìn)行人工目標(biāo)識(shí)別及鎖定，使能導(dǎo)引頭進(jìn)入目標(biāo)跟蹤狀態(tài)。

3)啟動(dòng)飛行仿真，制導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)接收導(dǎo)引頭目標(biāo)脫靶量信息導(dǎo)向并最終摧毀目標(biāo)，仿真結(jié)束。

在整個(gè)目標(biāo)打擊過(guò)程中，導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，跟蹤誤差(目標(biāo)充滿(mǎn)視場(chǎng)之前)在3 個(gè)像素之內(nèi)，目標(biāo)打擊視頻序列如圖10 所示。

圖11 展現(xiàn)了導(dǎo)彈的縱向平面內(nèi)彈道曲線(xiàn)，如圖12 所示，數(shù)字仿真和半物理仿真條件下的導(dǎo)引頭脫靶量數(shù)據(jù)對(duì)比可知，導(dǎo)引頭平面誤差角在0.09°之內(nèi)。圖13 顯示在俯仰方向，半物理彈目視線(xiàn)角速度值與理論仿真值之差小于0.17 deg/s，圖14 顯示過(guò)載指令ayc≤2 g，滿(mǎn)足彈體制導(dǎo)控制指標(biāo)需求，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)引頭的精確打擊。

圖10 導(dǎo)彈打擊目標(biāo)過(guò)程視頻序列

圖11 導(dǎo)彈彈道曲線(xiàn)

圖12 導(dǎo)引頭平面誤差角

圖13 俯仰方向的彈目視線(xiàn)角速度

圖14 導(dǎo)彈過(guò)載指令

4 結(jié)論

本文搭建的基于Unity3D 的可視化半物理仿真系統(tǒng)，獲取導(dǎo)彈的彈道和姿態(tài)角等信息，高效地模擬了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和導(dǎo)彈打擊目標(biāo)過(guò)程:目標(biāo)脫靶量誤差值小于0.09°;彈目視線(xiàn)角速度誤差值小于0.17 deg/s。

完成了導(dǎo)引頭的閉環(huán)仿真測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的精確打擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了可視化半物理平臺(tái)的正確性和有效性，可為導(dǎo)彈導(dǎo)引頭跟蹤系統(tǒng)和制導(dǎo)系統(tǒng)的驗(yàn)證提供有效的試驗(yàn)保障手段。

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