CN102306211A - 舰载机着舰引导半物理仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舰载机着舰引导半物理仿真系统。该系统包括具有复飞决策功能的自动着舰系统仿真计算机，以及分别与其连接的雷达仿真器、动画演示计算机、舵机系统；所述自动着舰系统仿真计算机负责三维着舰导引律、飞控律、飞机动力学、运动学的实时解算、纵侧向着舰轨迹动态演示，并将解算得到的惯性空间飞机轨迹信息及飞机和航母的位置坐标、姿态信息分别实时传送给雷达仿真器和动画演示计算机，并与舵机系统进行数据交换；雷达仿真器将惯性空间飞机轨迹信息进行处理后返回给自动着舰系统仿真计算机用于复飞决策；动画演示计算机根据接收到的飞机和航母的位置坐标、姿态信息实时演示舰载机的着舰过程。本发明具有使用方便、界面清晰等优点。

Description

舰载机着舰引导半物理仿真系统

技术领域

本发明涉及一种飞行仿真系统，尤其涉及一种具有复飞决策功能的舰载机着舰引导半物理仿真系统。

背景技术

舰载机在着舰过程中，由于受到各种干扰影响及出现不可预估的故障，经常会严重偏离理想下滑轨迹，此时，飞行员能否及时准确地执行复飞，对保证飞机安全是至关重要的。据文献报导，目前舰载机每着舰20次，就有一次需要进行复飞，即复飞概率为1/20。飞机在着舰过程中，尽管飞行员不断收到下滑轨迹偏差信息，LSO（着舰指挥官）也在密切注视着着舰过程，并提供辅助的飞行轨迹纠偏信息和复飞信号，但飞机仍有可能撞舰，事故的主要原因是由于飞行员不能很及时地执行LSO发出的复飞指令，若LSO能够提前发出复飞信号，许多事故是可以避免的。

基于上述背景，从提高舰载机着舰安全性出发，有必要开发一种具有复飞决策功能的舰载机着舰引导仿真系统，从而协助LSO及时提供有效的复飞信号，使着舰事故发生的概率降到最低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种具有复飞决策功能的舰载机着舰引导半物理仿真系统。

本发明的舰载机着舰引导半物理仿真系统包括具有复飞决策功能的自动着舰系统仿真计算机，以及分别与自动着舰系统仿真计算机连接的雷达仿真器、动画演示计算机、舵机系统；所述自动着舰系统仿真计算机负责三维着舰导引律、飞控律、飞机动力学、运动学的实时解算、纵侧向着舰轨迹动态演示，并将解算得到的惯性空间飞机轨迹信息及飞机和航母的位置坐标、姿态信息分别实时传送给雷达仿真器和动画演示计算机，并与舵机系统进行数据交换；雷达仿真器将惯性空间飞机轨迹信息进行处理后返回给自动着舰系统仿真计算机用于复飞决策；动画演示计算机根据接收到的飞机和航母的位置坐标、姿态信息实时演示舰载机的着舰过程。

优选地，所述自动着舰系统仿真计算机与舵机系统可选择光传系统或电传系统进行数据交换。

优选地，所述自动着舰系统仿真计算机与雷达仿真器、动画演示计算机之间为串行通讯。

所述自动着舰系统仿真计算机的工作流程如下：

步骤1、ACLS仿真计算机发送控制信号，经过D/A转换，再选择光缆或电缆传输给舵机系统；

步骤2、采集舵机输出的操纵信号，经A/D转换，传输给ACLS仿真计算机；

步骤3、ACLS仿真计算机中将舵机操纵信号代入舰载机模型中，解算并输出舰载机的惯性空间飞机轨迹信息；

步骤4、根据得到的惯性空间飞机轨迹信息，按照预先设置的飞机复飞条件判断是否需要复飞，如是，则根据侧向导引律计算并输出侧向飞控指令，控制舰载机复飞；如否，则根据纵、侧向引导律计算并输出纵、侧向飞控指令，控制舰载机继续着舰；

步骤5、将惯性空间飞机轨迹信息传输给雷达仿真器，将飞机和航母的位置坐标、姿态信息传输给动画演示计算机；

步骤6、接收雷达仿真器处理后返回的惯性空间飞机轨迹信息；接收动画演示计算机返回的握手信号。

    本发明通过将复飞决策系统的理论研究成果应用于自动着舰系统（简称ACLS）工程实际，开发了具有复飞决策功能的舰载机着舰引导半物理仿真系统。本发明集设计开发与仿真演示功能于一体，使用方便、界面清晰，有较高的飞行参数和环境参数的可选性，二次开发功能强，既可对数字仿真结论进行有效地物理验证，亦可形象地展示舰载机复飞决策的全部物理过程，为我国复飞决策系统的工程设计与开发提供了十分有价值的物理仿真平台。

附图说明

图1为本发明的舰载机着舰引导半物理仿真系统的结构示意图；

图2为具有复飞决策功能的ACLS的实时半物理仿真流程图；

图3为复飞决策系统结构示意图；

图4为雷达仿真器的原理示意图；

图5为雷达仿真器的工作流程图；

图6为动画演示计算机的工作流程图；

图7为舵机系统的原理示意图；

图8为单路光传系统的结构及原理示意图。

具体实施方式

本发明的舰载机着舰引导半物理仿真系统如附图1所示，包括具有复飞决策功能的自动着舰系统仿真计算机（以下简称ACLS仿真计算机），以及分别与自动着舰系统仿真计算机信号连接的雷达仿真器、动画演示计算机、舵机系统；其中，自动着舰系统仿真计算机与舵机系统之间分别通过单路光传系统和电传系统连接，从而可选择使用光传系统或电传系统进行数据交换，便于对光传系统的应用研究；自动着舰系统仿真计算机与雷达仿真器、动画演示计算机之间采用串行通讯。为便于公众理解本发明，下面结合附图分别对各部份进行详细说明。

一、具有复飞决策功能的自动着舰系统仿真计算机：

具有复飞决策功能的三维ACLS仿真计算机是整个仿真系统的核心，它负责三维着舰导引律、飞控律、飞机动力学、运动学的实时解算、纵侧向着舰轨迹动态演示，并将解算得到的惯性空间飞机轨迹信息（                                                

）及飞机和航母的位置坐标（）、姿态信息（）利用串口通讯分别实时传送给雷达仿真器和动画演示计算机，其中， 

为飞机的空间位置坐标；

为航母的空间位置坐标；

为飞机的姿态角；

为航母的姿态角。

经雷达仿真器处理后，通过串行口返回ACLS仿真计算机，用于复飞决策，而

,

则被用来实时演示舰载机的着舰过程。另外，作为主控计算机，具有复飞决策功能的三维ACLS仿真计算机还负责和实物舵机之间的数据交换，它是通过A/D和D/A转换实现的。

在对该系统各子模块进行离散化的基础上，可得到具有复飞决策功能的ACLS的实时半物理仿真程序，其流程图如附图2所示。

本发明中，复飞决策系统的构成如附图3所示，其原理如下：精确跟踪雷达自动截获并不断跟踪进场飞机，将飞机的瞬时位置传送到可消除甲板运动影响的有撞舰危险。若飞机超出给定的复飞区，则舰上通过数据链向飞机发送复飞信号，执行复飞。

当着舰尝试失败时，舰载机必须及时复飞才能避免发生着舰事故。通常飞机复飞时，飞行员通过操纵油门使发动机进入军用推力状态，飞机飞行速度激增，通过升力的变化，减小下沉速率，实现安全复飞，以避免撞舰。

复飞的决策条件一般定义为：在预定的复飞操纵下，飞机通过航母舰尾时的高度能否达到安全余量（复飞相对临界高度）的要求。在着舰下滑轨迹线附近存在着一系列的空间“航迹临界点”：当飞机越过临界点时，无论飞行员怎样操纵，都无法控制其法向过载，通过舰尾时的飞行高度将低于规定的安全余量，进而造成撞舰事故。以“航迹临界点”为复飞起始点的复飞轨迹包络线称为复飞边界，它包围的区域称为复飞区。复飞区的确定是开发复飞决策系统方案的关键，因为复飞决策是通过判断飞机是否进入复飞区，决定是否应发出复飞指令。

形成复飞边界的“航迹临界点”应满足事先规定的复飞边界准则。该准则是综合考虑飞机复飞的安全高度、飞行员对复飞指令的反应滞后以及复飞操纵的手段等因素决定的。复飞边界三条准则如下

（1）飞机复飞到达舰尾时，离甲板有3米的安全高度间隙；

（2）飞行员对复飞指令信号的允许反应时间为0.7秒；

（3）飞行员采用的复飞操纵手段是在无纵向驾驶杆操纵的前提下，仅使用发动机军用推力控制。

二、雷达仿真器：

为了将跟踪雷达测量特性引入ACLS，必须将ACLS中飞机在稳定坐标系中的测量值转变为雷达测量坐标系中的值。因此，作为ACLS中的雷达特性仿真器，还必须首先将稳定坐标系Oi,XiYiZi转换至雷达测量坐标系，以构成如附图4所示的雷达仿真器基本数学模型。在此基础上，可设计出本发明的雷达仿真器，其工作流程如附图5所示。

三、动画演示计算机：

本发明三维动画演示系统的开发包含对象建模、场景绘制、仿真数据生成、动画实现和主程序五项核心内容。其中，对象模型是借助3D建模软件3DMAX已创建好的模型，通过模型转换软件3DWIN直接得到模型数据，最后由OpenGL生成；场景绘制包括天空和海洋两部分，首先利用OpenGL的纹理映射功能分别将天空和海洋图片映射到平面及网格上，然后通过改变纹理坐标及网格坐标即可得到漂浮着白云的蓝天及波涛起伏的海面的三维场景；仿真数据是由具有复飞决策功能的三维ACLS仿真计算机实时计算，并通过串口通讯传输得到的；动画的实现是通过改变三维模型的位置参数，然后调用绘图函数重新绘制窗口内容使各模型动起来的，这种动画方式实现简单，但当绘图函数需较长时间，同时系统又较繁忙时，动画会出现不流畅的情况；主程序负责整个程序的进程调度、各种事件的处理等任务。主程序流程图如附图6所示。

四、舵机系统：

舵机系统由舵回路、调制解调器及舵角变换器等组成，其结构如附图7所示。其中所采用的舵回路为我国某型无人机上的舵回路，而舵机为电动舵机。考虑到舵机鼓轮的最大转角为

，为保护舵机，舵信号输入端加入了限幅环节。

五、光传系统：

光传系统是指利用光纤传输飞控信息的系统。现代战争中，经常需要战斗机在恶劣气候条件及强烈电磁干扰环境下执行任务，为了解决这些棘手的问题，科研人员将目光投向以光纤技术为核心的光传系统，光传系统不仅能减轻飞机重量，还能有效地防御电磁干扰、雷击和核辐射，极大地提高了飞机的可靠性与生存能力。目前，西方发达国家非常重视光传系统的开发研制，并已在此领域取得了令人瞩目的成就。为了缩短我国与发达国家的差距，本发明对光传系统这一前沿科研领域进行了初步探索，尝试将单路光传系统应用于本发明的舰载机着舰引导半物理仿真系统。由于国外早期光传飞控系统的开发，往往都是先从单通道光传系统开始，并且目前单通道光传系统仍广泛地应用于民用飞机和战斗机上，因此，本发明也采用单通道光传系统。本发明中，自动着舰系统仿真计算机与舵机系统之间分别通过单路光传系统和电传系统连接，并可通过开关选择使用光传系统或电传系统进行数据交换，便于对光传系统的应用研究。附图8给出了单通道光传系统的基本组成，它由发送端、光纤和光器件、接收端三部分组成，发送端将输入电信号转变为光信号，经光纤传输至接收端，经光电检测、放大判决等恢复成原来的电信号输出。

本发明中， ACLS仿真计算机采用串行通讯方式与雷达仿真器及动画演示计算机进行数据实时传输。本发明运用Pentium计算机主板上通用芯片组Super I/O中的串口控制器，编制底层驱动软件，以实现仿真数据按照设置的波特率进行实时传输。由于Super I/O芯片组遵循IBM公司的IBM PC规范和INTEL公司的PC97规范，也就是说对底层硬件的操作可在不同芯片之间移植，因而本发明开发的串行通讯软件具有通用性。

在Super I/O芯片组的串口控制器中，集成了两个称为UART的高速通用异步接收/发送器串行端口。每个UART都包括一个16字节的接收先入先出寄存器（FIFO），一个16字节的发送先入先出寄存器（FIFO），一个可编程的波特率发生器和一个中断发生器。高速UART可支持115200bps的波特率，这比通用的UART可支持的9600bps波特率性能提高了将近12倍，从而为数据的传输提供了快速通道，也是我们之所以采用串行传输数据的主要原因。

（1）    UART工作方式

UART串行口在数据发送端将计算机处理生成的并行数据转化成串行输出，在数据接收端将串行数据转化成并行方式以供计算机处理。为保证数据的正确发送和接收，串行数据将严格按照特定的格式传输：1 位起始位，5位至8位数据位，1位奇偶校验位，1－2位停止位。具体的传输格式由发送方和接收方编程决定，双方应保持一致。UART内部有16位的可编程分频器，通过CPU设置相关的寄存器可工作在

不同的波特率下。在本发明开发的串行接口通讯中，传输的每个字符均包含1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位，1个停止位共11个传输数据位，波特率设置为115200 bps。而待传输的仿真浮点数据均取6位有效数字，加上各自的符号位和小数点位，实际传输一个十进制浮点数据相当于传输8个十六进制整型数（包括符号位和小数点位），所需时间为：

11×8×

＝0.764 ms

相对于采样时间50毫秒来说，可以不必考虑串行口通讯在整个仿真周期内占用的时间。

（2）    UART寄存器寻址

在PC机中，UART的两个串行口被定义为COM1和COM2。COM1的基地址一般被映射为3F0H，中断为IRQ4；COM2的基地址一般被映射为2F0H，中断为IRQ3。通过基地址＋偏移量就可以访问UART的内部寄存器，从而控制串口的工作方式，监控串口的工作状态。

ACLS仿真计算机与动画演示计算机进行通信时，首先在具有复飞决策功能的三维ACLS仿真计算程序及动画演示程序的开始部分对串口进行初始化，包括设置波特率，定义传输格式，屏蔽UART中断，设置FIFO控制寄存器等工作。

具有复飞决策功能的三维ACLS仿真计算机负责发送数据，每个仿真周期结束前，ACLS计算程序将通过多次调用自行编写的out_put(p)和wait_inp( )函数来完成对时间、飞机位置、航母位置等信息的发送。其中，out_put(p)函数负责把实型数p转换成6位字符形式的有效数字，放入一个数组，同时得到p的符号和小数点位信息，然后不断查询线路状态寄存器D5位，看发送寄存器是否为空，如空则送上一位数据，数据信息全部传送完毕后，out_put(p)子程序退出，接着wait_inp( )函数就负责等待由动画演示计算机传回的握手信号，收到握手信号即表示由out_put(p)函数发出的数据已成功到达动画演示计算机。

动画演示计算机负责接收数据，CPU在空闲时查询线路状态寄存器的D0位，判定接收器是否收到新数据，若出现新数据，则把它读入。接收数据时，依次读入小数点位置信息、符号位信息、6位数据位信息，然后将它们重新还原为原数值，最后向ACLS仿真计算机发出握手信号，一方面表示本次数据已成功接收，另一方面也请仿真计算机继续发送下一组数据。

ACLS仿真计算机与雷达仿真器进行串行通信时，采用在Visual C＋＋6.0中集成的Microsoft公司开发的Communications 控件来实现。该控件的编程分为三部分：初始化通讯格式，中断处理，关闭串口。

串口初始化方法如下，ACLS仿真计算机端和雷达仿真器端的数据传输格式应保持一致：

      CMSComm m_Comm;//串口实例化

      m_Comm.SetCommPort(nComm)；//设置串行口 

     m_Comm.SetSettings("115200,1,8,1")；//设置波特率为115200bps，1个奇偶校验位，8个数据位，1个停止位

      m_Comm.SetInputMode(0)；//以文本格式传输数据

      m_Comm.SetPortOpen(TRUE)；//打开串口，等待通讯。

串口采用中断工作方式，当接收寄存器满时，串口向CPU提出中断请求，得到中断允许后，CPU开始处理中断程序。在程序中只需映射中断消息函数，所有的处理过程都写在这个函数里，以下为在消息函数里读入数据和发送数据：

m_Comm.SetInputLen(8)；//每次读入8位

      if(m_Comm.GetInBufferCount())

      {

             inbuffer = m_Comm.GetInput()；

             ASSERT(inbuffer.vt == VT_BSTR)；

             data = inbuffer.bstrVal；

             }//接收寄存器不为空，读入并转换数据格式

      m_Use = atof(data)；//将文本数据转换为精度型

      CString m；

m.Format("%8.8s",m_Use)；//格式化数据

      m_Comm.SetOutput(COleVariant(m))；//发送数据

数据传输结束，务必将串行口关闭

      m_Comm.SetPortOpen(FALSE)；//关闭串口。

本发明采用HY-6070通用数据采集板实现数/模，模/数转换，该板与IBM-PC/AT总线兼容，集A/D、D/A、数字量I/O和定时/计数器等功能于一体。其中，A/D部分支持16路单端最大范围为

10v的模拟信号输入，D/A部分支持一路模拟量输出，最大范围是

5v，A/D和D/A的分辨率达12位，这些性能指标表明该数据采集板满足本仿真系统的要求。本系统中HY-6070板A/D和D/A设置为：基地址BASE＝280H，1路D/A输出

信号，范围为

5v，设置A/D转换电压范围为

10v，并选择通道1采样来自舵机系统的输出信号。本系统中的A/D转换为软件触发方式，通过编程向某一地址写数据产生触发A/D转换的信号，然后再通过查询获取数据。D/A转换可直接通过编程实现。

Claims (4)

1. 一种舰载机着舰引导半物理仿真系统，其特征在于，该系统包括具有复飞决策功能的自动着舰系统仿真计算机，以及分别与自动着舰系统仿真计算机连接的雷达仿真器、动画演示计算机、舵机系统；所述自动着舰系统仿真计算机负责三维着舰导引律、飞控律、飞机动力学、运动学的实时解算、纵侧向着舰轨迹动态演示，并将解算得到的惯性空间飞机轨迹信息及飞机和航母的位置坐标、姿态信息分别实时传送给雷达仿真器和动画演示计算机，并与舵机系统进行数据交换；雷达仿真器将惯性空间飞机轨迹信息进行处理后返回给自动着舰系统仿真计算机用于复飞决策；动画演示计算机根据接收到的飞机和航母的位置坐标、姿态信息实时演示舰载机的着舰过程。

2.如权利要求1所述舰载机着舰引导半物理仿真系统，其特征在于，所述自动着舰系统仿真计算机与舵机系统可选择光传系统或电传系统进行数据交换。

3.如权利要求1所述舰载机着舰引导半物理仿真系统，其特征在于，所述自动着舰系统仿真计算机与雷达仿真器、动画演示计算机之间为串行通讯。

4.如权利要求1所述舰载机着舰引导半物理仿真系统，其特征在于，所述自动着舰系统仿真计算机的工作流程如下：

步骤1、ACLS仿真计算机发送控制信号，经过D/A转换，再选择光缆或电缆传输给舵机系统；

步骤2、采集舵机输出的操纵信号，经A/D转换，传输给ACLS仿真计算机；

步骤3、ACLS仿真计算机中将舵机操纵信号代入舰载机模型中，解算并输出舰载机的惯性空间飞机轨迹信息；

步骤4、根据得到的惯性空间飞机轨迹信息，按照预先设置的飞机复飞条件判断是否需要复飞，如是，则根据侧向导引律计算并输出侧向飞控指令，控制舰载机复飞；如否，则根据纵、侧向引导律计算并输出纵、侧向飞控指令，控制舰载机继续着舰；

步骤5、将惯性空间飞机轨迹信息传输给雷达仿真器，将飞机和航母的位置坐标、姿态信息传输给动画演示计算机；

步骤6、接收雷达仿真器处理后返回的惯性空间飞机轨迹信息；接收动画演示计算机返回的握手信号。

Images