劉 偉,李欣益,管再升,束川良

(上海機(jī)電工程研究所,上海 201109)

0 引言

高逼真度的彈道仿真能夠較為真實(shí)的模擬導(dǎo)彈在空中的飛行過(guò)程,可以預(yù)測(cè)并控制飛行試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn),是地空導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要任務(wù)。型號(hào)研制過(guò)程中,由于各型地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)戰(zhàn)技指標(biāo)、攔截目標(biāo)、導(dǎo)彈性能等各有不同,在彈道仿真中,出現(xiàn)了多種數(shù)學(xué)模型,彈道設(shè)計(jì)師根據(jù)數(shù)學(xué)模型編寫(xiě)的彈道仿真程序各式各樣,往往花了大量時(shí)間編程,仿真結(jié)果卻不理想,彈道仿真準(zhǔn)確度不高。同時(shí),由于型號(hào)間彈道仿真程序不統(tǒng)一,輸入接口不一致,造成型號(hào)間彈道復(fù)核復(fù)算僅限于數(shù)學(xué)模型的檢查,無(wú)法進(jìn)行真正的彈道計(jì)算。在目前型號(hào)研制任務(wù)逐漸加重、研制周期逐漸縮短、飛行任務(wù)越來(lái)越多的情況下,迫切需要一款實(shí)用、通用、方便用的彈道仿真工具,提高計(jì)算效率,節(jié)約人力、物力成本。

國(guó)內(nèi)外對(duì)彈道仿真工具的研究已有很多年,并建成了較為實(shí)用的仿真軟件,國(guó)外洛克希德馬丁公司和NASA蘭利研究中心開(kāi)發(fā)了POST[1],波音公司和NASA格倫研究中心創(chuàng)建了OTIS[2],國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的唐明亮、谷良賢對(duì)彈道仿真通用軟件[3]進(jìn)行了探索,國(guó)防科技大學(xué)的魯中華、郭振云對(duì)彈道通用模型的建立及通用軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究[4],西北工業(yè)大學(xué)龔春林、谷良賢將彈道仿真應(yīng)用在了導(dǎo)彈總體方案軟件系統(tǒng)上[5],兵器203所趙軍民、何亞娟對(duì)基于MATLAB/Simulink的彈道模塊化進(jìn)行了開(kāi)發(fā)[6],北京航空航天大學(xué)洪蕾[7]、南京理工大學(xué)王仲鐸、王宏波[8]在彈道仿真軟件可視化方面進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者與開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行了大量工作,但是這些仿真工具并不能直接應(yīng)用在國(guó)內(nèi)型號(hào)的彈道仿真中。根據(jù)型號(hào)特點(diǎn),文中對(duì)某幾型地空導(dǎo)彈的彈道模型進(jìn)行了梳理和規(guī)范,基于統(tǒng)一的仿真框架,開(kāi)發(fā)了一套彈道仿真系統(tǒng)。通過(guò)界面操作或者少量的編程即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)型號(hào)進(jìn)行仿真的功能,并能實(shí)現(xiàn)諸如動(dòng)力系數(shù)計(jì)算、載荷計(jì)算、參數(shù)曲線實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)快速判斷等功能,具有模塊易更換、界面易操作、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 仿真系統(tǒng)方案

仿真系統(tǒng)采取仿真界面、仿真控制、仿真模型相對(duì)獨(dú)立的框架,層級(jí)清晰,接口明確,便于軟件的維護(hù)、升級(jí)和擴(kuò)展。仿真系統(tǒng)主要框架見(jiàn)圖1,核心模塊包括仿真界面模塊、仿真控制模塊、仿真模型模塊,除需要完成仿真功能的核心模塊外,還增加了輔助軟件模塊。

圖1 軟件系統(tǒng)功能模塊框圖

系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)多個(gè)型號(hào)的通用彈道仿真,為了實(shí)現(xiàn)通用性,系統(tǒng)在以下方面做了探索:

1)建立標(biāo)準(zhǔn)彈道數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)幾個(gè)型號(hào)的彈道數(shù)據(jù)梳理后,整合了各個(gè)型號(hào)的彈道輸出文件,按照最大化原則,建立標(biāo)準(zhǔn)的彈道數(shù)據(jù)庫(kù),并留有可擴(kuò)展的空間;建立了彈道數(shù)據(jù)類(lèi),可實(shí)現(xiàn)彈道數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

2)建立標(biāo)準(zhǔn)彈道模型。針對(duì)不同的彈道模型,對(duì)模型進(jìn)行再細(xì)化,建立能夠通用的標(biāo)準(zhǔn)子模型,通過(guò)多個(gè)子模型可搭建成父模型,例如不同型號(hào)制導(dǎo)規(guī)律模型不同,但都可劃分為初、中、末制導(dǎo),初制導(dǎo)模型又可細(xì)化為轉(zhuǎn)彎規(guī)律模型、姿態(tài)指令形成模型等,各型號(hào)相同的子模型可作為標(biāo)準(zhǔn)模型,放入標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù),各型號(hào)有差異的子模型可作為選擇模塊,統(tǒng)一其外部接口。

3)外部數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化。彈道仿真用到很多外部數(shù)據(jù),例如質(zhì)量質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、氣動(dòng)模型等。外部數(shù)據(jù)一般由不同專(zhuān)業(yè)不同人員提供,不能直接使用,為此軟件系統(tǒng)采取封裝策略,創(chuàng)建了封裝器,使用封裝器可將各類(lèi)外部數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)分為兩類(lèi):一是文本庫(kù),二是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。

系統(tǒng)除能進(jìn)行彈道仿真外,還兼顧彈道優(yōu)化功能。系統(tǒng)可作為一個(gè)彈道計(jì)算的求解器,嵌入到ISIGHT等優(yōu)化軟件中,實(shí)現(xiàn)彈道優(yōu)化。

2 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)借助Qt工具,使用C++語(yǔ)言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn),充分運(yùn)用了面向?qū)ο?、繼承、多態(tài)等方法。下面對(duì)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1 仿真模型

建立彈道仿真模型時(shí)充分考慮了模塊易更換、接口可通用的思路,主要建立的仿真模型有:導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)模型、總體參數(shù)模型、目標(biāo)模型、氣動(dòng)模型、自動(dòng)駕駛儀模型、制導(dǎo)規(guī)律模型、相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型、大氣模型、導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)方程組模型、射向瞄準(zhǔn)規(guī)律模型等,如圖2所示。創(chuàng)建了彈道數(shù)據(jù)類(lèi),模塊之間信息傳輸通過(guò)調(diào)用彈道數(shù)據(jù)類(lèi)對(duì)象實(shí)現(xiàn)。

圖2 仿真模型

2.1.1 目標(biāo)模型

目標(biāo)模型用來(lái)確定目標(biāo)類(lèi)型、目標(biāo)位置、目標(biāo)速度等。防空導(dǎo)彈對(duì)付的目標(biāo)均為快速移動(dòng)目標(biāo),包括飛機(jī)類(lèi)目標(biāo)、巡航導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈、直升機(jī)等,根據(jù)是否機(jī)動(dòng)又可分為機(jī)動(dòng)目標(biāo)和不機(jī)動(dòng)目標(biāo)。對(duì)于同一類(lèi)目標(biāo),又分為兩種模型:一是根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù);二是調(diào)用目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)利用C++繼承、多態(tài)的特性,建立了一個(gè)目標(biāo)基類(lèi)“HTarget”類(lèi),并規(guī)定了基類(lèi)方法,各種不同的目標(biāo)均繼承自該類(lèi)。

2.1.2 總體參數(shù)模型

總體參數(shù)模型用來(lái)確定彈道的輸入?yún)?shù),主要包括:導(dǎo)彈外形參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)推力參數(shù)、垂直彈射參數(shù)、質(zhì)量質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。這些參數(shù)既可以通過(guò)界面直接設(shè)置,也可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取。

通過(guò)界面可以進(jìn)行各種組合與參數(shù)調(diào)整,可以方便的更換發(fā)動(dòng)機(jī)、質(zhì)量質(zhì)心等輸入數(shù)據(jù),根據(jù)不同的導(dǎo)彈可設(shè)置不同的輸入,可以快速的進(jìn)行彈道仿真,特別是在論證初期,可通過(guò)多參數(shù)的調(diào)整使導(dǎo)彈性能達(dá)到最優(yōu)。

2.1.3 制導(dǎo)規(guī)律模塊

通常,防空導(dǎo)彈按照導(dǎo)彈飛行程序,可劃分為三個(gè)飛行階段:初制導(dǎo)、中制導(dǎo)和末制導(dǎo),在型號(hào)研制階段,還有程控指令飛行階段。軟件系統(tǒng)按照四個(gè)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)。

初制導(dǎo)規(guī)律采用傳統(tǒng)的垂直發(fā)射快速轉(zhuǎn)彎規(guī)律,通過(guò)界面可以對(duì)轉(zhuǎn)彎規(guī)律參數(shù)、初制導(dǎo)終止條件進(jìn)行選擇或調(diào)整;中、末制導(dǎo)規(guī)律可選用多種導(dǎo)引規(guī)律,目前可供選擇的有修正比例導(dǎo)引規(guī)律模型和最優(yōu)導(dǎo)引律模型,可以通過(guò)界面調(diào)整比例系數(shù)和中末制導(dǎo)交班條件、末制導(dǎo)結(jié)束條件等,根據(jù)需要后續(xù)可增加其他導(dǎo)引規(guī)律;程控指令規(guī)律可以通過(guò)界面進(jìn)行增添。

除了內(nèi)置的常用制導(dǎo)規(guī)律模型,系統(tǒng)還提供了自定義模型,在接口相似的情況下,支持自定義的各種制導(dǎo)規(guī)律。自定義模型采用Matlab的m文件編制而成,進(jìn)行彈道仿真時(shí)軟件系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)用Matlab軟件對(duì)m文件進(jìn)行解釋,完成彈道計(jì)算。待自定義的制導(dǎo)規(guī)律模型成熟后,可對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),將此規(guī)律內(nèi)置在制導(dǎo)規(guī)律模型庫(kù)中。

2.1.4 射向瞄準(zhǔn)規(guī)律模塊

射向瞄準(zhǔn)規(guī)律模塊可計(jì)算出初制導(dǎo)滾轉(zhuǎn)到位后的導(dǎo)彈初始指向,為中末制導(dǎo)飛行創(chuàng)造有利條件。系統(tǒng)提供了三種模式:第一種模式是在型號(hào)研制初期,沒(méi)有瞄準(zhǔn)規(guī)律模型時(shí),通過(guò)界面指定導(dǎo)彈初始指向;第二種模式是在型號(hào)研制過(guò)程中,驗(yàn)證模型的優(yōu)劣時(shí),將模型編制成腳本程序(或m文件)嵌入到軟件中,通過(guò)彈道仿真結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行判別;第三種模式是型號(hào)已經(jīng)定型或者正在定型時(shí),已經(jīng)固化的射向瞄準(zhǔn)規(guī)律模型可以內(nèi)置在軟件中,通過(guò)界面選擇不同模型。

2.1.5 其他模塊

導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)模塊有兩種彈體模型可選擇:質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)模型(三自由度)、剛體動(dòng)力學(xué)模型(六自由度),可設(shè)置導(dǎo)彈初始運(yùn)動(dòng)參數(shù)。氣動(dòng)模塊和自動(dòng)駕駛儀模塊均采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式,通過(guò)接口的標(biāo)準(zhǔn)化可實(shí)現(xiàn)不同氣動(dòng)模型和自動(dòng)駕駛儀模型的無(wú)縫更換。通常,不同型號(hào)的氣動(dòng)模型和駕駛儀模型不同,軟件可方便的通過(guò)更換氣動(dòng)和駕駛儀動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)達(dá)到型號(hào)與模型一一對(duì)應(yīng)的目的。相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊和大氣模塊均采用成熟的數(shù)學(xué)模型,固化在軟件中;積分模塊采用四階龍格-庫(kù)塔積分方法,氣動(dòng)力、氣動(dòng)力矩、角度轉(zhuǎn)換均采用飛行力學(xué)中常用的模型。

2.2 仿真界面設(shè)計(jì)

仿真界面基于Qt編寫(xiě),主要功能是為用戶提供友好的人機(jī)交互平臺(tái),通過(guò)界面操作,可以進(jìn)行仿真控制、系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)調(diào)節(jié)、模塊選擇、模型更改、實(shí)時(shí)圖形顯示等。2.1節(jié)中介紹的大部分仿真模型均可通過(guò)相應(yīng)的界面進(jìn)行人機(jī)交互。仿真系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)主界面

2.3 仿真控制設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)可自由設(shè)置仿真類(lèi)型(典型彈道、全空域彈道、彈道優(yōu)化等)、仿真時(shí)間、仿真步長(zhǎng)、仿真終止條件、導(dǎo)彈飛行時(shí)間等,并能及時(shí)反饋仿真過(guò)程(如仿真各參數(shù)變化、仿真進(jìn)度等)。

系統(tǒng)采用多線程控制,界面使用主線程,每一個(gè)彈道仿真過(guò)程均開(kāi)辟一個(gè)工作線程,可充分利用硬件資源,并確保界面的及時(shí)響應(yīng)。

2.4 輔助模塊

為了提高彈道仿真效率,豐富系統(tǒng)功能,開(kāi)發(fā)了一些輔助模塊,例如實(shí)時(shí)顯示模塊、三維仿真模塊、腳本調(diào)試模塊、數(shù)據(jù)后處理模塊、鉸鏈力矩計(jì)算模塊、氣動(dòng)特性分析模塊、動(dòng)力系數(shù)分析模塊等。

其中三維仿真模塊基于OpenSceneGraph三維渲染引擎,可以對(duì)生成的彈道用三維視景仿真的形式進(jìn)行表現(xiàn),仿真效果如圖4所示。

圖4 三維仿真模塊

3 仿真算例

仿真系統(tǒng)可用于多個(gè)型號(hào)的彈道仿真任務(wù),例如:典型彈道計(jì)算、全空域殺傷區(qū)計(jì)算、射程估算、制導(dǎo)規(guī)律優(yōu)化、對(duì)付多種目標(biāo)條件下彈道性能計(jì)算、靶試彈道計(jì)算、鉸鏈力矩計(jì)算、動(dòng)力系數(shù)計(jì)算、可用過(guò)載計(jì)算、特征點(diǎn)氣動(dòng)特性分析等。

使用時(shí),可通過(guò)在菜單中選擇不同型號(hào)的配置文件進(jìn)行不同型號(hào)的彈道仿真。以某地空型號(hào)為例,用該系統(tǒng)進(jìn)行靶試彈道仿真,同時(shí)該彈道也進(jìn)行了實(shí)際的靶場(chǎng)飛行試驗(yàn)。仿真條件為攔截虛擬平飛飛機(jī)目標(biāo),攔截點(diǎn)距發(fā)射點(diǎn)斜距125 km,攔截點(diǎn)海拔高度5 km,全程彈道和姿態(tài)角變化曲線與實(shí)際飛行試驗(yàn)靶試彈道對(duì)比如圖5和圖6所示(其中彈道軌跡表示為北天東坐標(biāo)系)。由圖5、圖6可見(jiàn),仿真的彈道與靶試飛行的彈道基本重合,兩者姿態(tài)角偏差很小,仿真系統(tǒng)能較為逼真的模擬導(dǎo)彈的飛行過(guò)程,對(duì)地空導(dǎo)彈的研制起到了重要作用。

圖5 仿真與靶試彈道軌跡對(duì)比

圖6 仿真與靶試的姿態(tài)角對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)型號(hào)研制過(guò)程中彈道仿真的需求,開(kāi)發(fā)了一套彈道仿真系統(tǒng),文中對(duì)仿真系統(tǒng)通用化、模塊化的實(shí)現(xiàn)思路進(jìn)行了描述,并對(duì)各模塊的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。初步應(yīng)用表明,該系統(tǒng)可進(jìn)行多個(gè)型號(hào)多個(gè)彈道任務(wù)的工作,顯著提高了工作效率。