CN105423823A - 激光制导导弹的注入式半实物仿真系统 - Google Patents

Abstract

激光制导导弹的注入式半实物仿真系统，属于激光制导导弹的研制技术领域，为了解决投影漫反射式的缺陷，该系统包括仿真平台，主要承担所有数学模型的搭建和解算，以及与其它参与仿真的设备通信，导引头接收目标模拟装置的激光信号，形成光斑重心位置信息，通过CAN总线网络为GNC系统提供目标方位；GNC系统其安装于姿态模拟装置上；目标模拟装置出射光注入导引头，模拟目标运动；姿态模拟装置对导弹姿态的模拟，复现导弹在空中的角运动特性；加速度模拟装置模拟加速度计输出；负载模拟装置用于模拟导弹在飞行过程中舵机受到的气动力矩；发控装置主要完成设备自检确认、数据注入和导弹发射指令。

Description

激光制导导弹的注入式半实物仿真系统

技术领域

本发明涉及一种用于研制小型激光制导导弹的注入式半实物仿真系统，属于激光制导导弹的研制技术领域。

背景技术

半实物仿真是指在系统的仿真回路中接入部分实物的仿真。半实物仿真能提高制导武器仿真实验真实度同时降低武器系统的实验成本。相比于常规武器，制导武器系统包含有导引头、导航制导与控制系统(以下简称GNC系统)、发动机、舵机等部件，其飞行实验成本非常昂贵。使用半实物仿真实验可以极大减少飞行实验次数，降低实验成本。与其他仿真相比，半实物仿真接入了尽可能多的真实部件，能够实现更高的真实度，是仿真技术中置信水平最高的一种仿真方法。

现阶段激光目标特性的模拟一般采用基于投影漫反射式的半实物仿真方案，例如中国专利申请公布号CN102589350A，激光末制导炮弹研制用的半实物仿真系统。该方案中通过激光器照射漫反射屏，为导引头提供一个与实际作战环境相接近的回波信号，其主要优势是可实现对后向散射和战场背景杂散光的仿真，较为真实地模拟背景以及干扰对导引头探测光斑的影响。该基于投影漫反射式的半实物仿真系统的缺陷在于：实现需要较大的实验场地，漫反射屏长、高的典型尺寸在6m～10m，实验室难以满足；而且漫反射屏的造价在数十至百万元，相对昂贵。

发明内容

本发明为了解决基于投影漫反射式的半实物仿真系统存在的实验场地较大和成本昂贵的问题，提出了激光制导导弹的注入式半实物仿真系统。

本发明的技术方案是：

激光制导导弹的注入式半实物仿真系统，其特征是，该系统包括：

仿真平台：包括仿真上位机和仿真目标机，主要承担所有数学模型的搭建和解算，以及与其它参与仿真的设备通信，通过CAN总线网络与导引头、GNC系统、舵机和发控装置通信；通过反射内存交换机与姿态模拟装置、目标模拟装置通信；通过RS422与加速度模拟装置通信；

导引头：采用真实的激光导引头，接收目标模拟装置的激光信号，形成光斑重心位置信息，通过CAN总线网络为GNC系统提供目标方位；其安装于姿态模拟装置上；

GNC系统：由弹载计算机和惯性测量单元两部分组成，其安装于姿态模拟装置上；GNC系统接收加速度模拟装置提供的弹体加速度信号和导引头的目标方位，结合IMU的姿态角速度信息进行解算，得出舵控指令；

目标模拟装置：由二轴转台、激光器、传输模块和出光模块四部分组成；仿真平台通过反射内存交换机控制二轴转台模拟目标运动，形成的视线角；激光器产生的激光经过传输模块导入到安装于二轴转台上的出光模块，出射光注入导引头，模拟目标运动；

姿态模拟装置：其为三轴转台，模拟导弹的飞行姿态；仿真目标机通过解算弹体模型得出偏航、俯仰和滚转三个姿态角，根据姿态角分别控制三轴转台的外、中、内三环，实现对导弹姿态的模拟，复现导弹在空中的角运动特性；

加速度模拟装置：由高精度DA模块承担，由仿真平台通过RS422控制，模拟加速度计输出。

负载模拟装置：其与舵机相连，由力矩弹簧和连接机构组成，用于模拟导弹在飞行过程中舵机受到的气动力矩；

发控装置：由具有CAN通信功能的DSP模块承担，主要完成设备自检确认、数据注入和导弹发射指令。

本发明的有益效果：该系统使用的仿真软件为Matlab自带的xPC工具箱，硬件由工控机和所需要的板卡组成，极大地减少了仿真平台搭建的费用；激光目标采用注入式模拟，减少了建造费用的同时节省了实验器材所占用的空间。

附图说明

图1是本发明激光制导导弹的注入式半实物仿真系统的基本结构图。

图2是本发明激光制导导弹的注入式半实物仿真系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的半实物仿真系统，其主要包括仿真平台、导引头、GNC系统、目标模拟装置、姿态模拟装置、加速度模拟装置、舵机、负载模拟装置。其中，仿真平台解算弹体模型和目标模型。仿真平台通过解算弹体模型得到弹体姿态角和弹体加速度，分别用来控制姿态模拟装置的运动和加速度模拟装置的输出。仿真平台通过解算目标模型得到弹目视线角，用来控制目标模拟装置运动。导引头接收目标模拟装置产生的激光束，输出光斑偏移量。GNC系统根据姿态模拟装置的角度、光斑偏移量和加速度模拟量进行制导控制解算，输出舵机控制指令，控制舵机转动。

1、仿真平台

真平台主要承担所有数学模型的搭建和解算，以及与其它参与仿真的设备通信，通过CAN总线网络与导引头、GNC系统、舵机和发控装置通信；通过反射内存交换机与姿态模拟装置、目标模拟装置通信；通过RS422与加速度模拟装置通信。

仿真平台主要包括仿真上位机和仿真目标机两个部分。仿真上位机作为整个半实物仿真系统面向操作人员的操作平台，主要用于系统模型的建立和验证，并记录和存储实验数据。仿真上位机使用网线和仿真目标机相连，用于下载模型和传输实验数据。

仿真目标机是整个半实物仿真系统各个组成部分之间联系的枢纽。目标模拟装置、GNC系统、舵机、导引头经由仿真目标机形成一个半实物仿真的闭环，由此实现激光制导导弹整个飞行过程的仿真。

在仿真目标机的设计中，首先要考虑仿真目标机的运算能力，以满足数学模型处理要求和多路接口数据处理要求；其次要考虑硬件接口扩展能力，以满足半实物仿真对多路A/D、D/A、DI、DO、CAN、串口通信和光纤反射内存的支持。

本仿真系统中，仿真目标机包括实时仿真系统、CAN通信模块、串行通信模块、模数转换模块和光纤通信模块。

实时仿真系统是仿真目标机的核心部分，可以将仿真上位机的数学模型加载至实时系统，并且根据仿真模型控制相关设备。

CAN通信模块，用于和导引头、GNC系统、舵机等弹上设备通信。优选地，CAN通信可以采用xPC系统支持的CAN-AC2-PCI通信板卡，此板卡使用PCI插槽，有2个CAN通信口，波特率为1Mbps。

串行通信模块，用于和加速度模拟装置进行通信，将导弹模型中的加速度信息输出给加速度模拟装置。优选地，采用xPC系统支持的QSC-200串行通信卡，此板卡使用PCI插槽，有4个RS422/485通信卡，波特率从110-921600bps可选。

模数转换模块，用于接收舵机输出的舵机角度模拟量反馈，并将其转换成数字量提供给弹体模型。优选地，采用NI公司的PCI-6221板卡，此板卡使用PCI插槽，有16路AD转换通道。

光纤通信模块，将目标和弹体的姿态位置信息通过光纤发送给二轴和三轴转台控制柜，控制二轴和三轴转台的运动。光纤通信模块选用GE公司的VMIC-5565光纤反射内存卡。

本发明仿真系统中仿真目标机采用研华610工业控制计算机，软件采用xPC实时仿真系统。xPC是基于Matlab/Simulink的实时系统工具箱，能和Matlab无缝对接，可以满足实时仿真的需求。同时xPC系统自带多种常用板卡驱动，可以提高开发效率。

xPC系统可以实时记录仿真过程中的数据，同时将其以数值或者波形的形式显示。

2、导引头

导引头采用弹上真实的激光导引头，接收目标模拟装置的激光信号，形成光斑重心位置信息，通过CAN总线网络为GNC系统提供目标方位；其安装于姿态模拟装置上。

3、GNC系统

GNC系统为弹上真实部件，由弹载计算机和惯性测量单元(IMU)两部分组成，其安装于姿态模拟装置上；GNC系统接收加速度模拟装置提供的弹体加速度信号和导引头的目标方位，结合IMU的姿态角速度信息进行解算，得出舵控指令；通过CAN总线通信。

4、目标模拟装置

目标模拟采用激光直写投射法模拟，即直接将衰减过的激光注入导引头。其由二轴转台、激光器、传输模块和出光模块四部分组成。仿真平台通过反射内存交换机控制二轴转台模拟目标运动，形成的视线角；激光器产生的激光经过传输模块导入到安装于二轴转台上的出光模块，出射光注入导引头，模拟目标运动；

二轴转台用于模拟弹目视线角。仿真目标机通过解算导弹和目标之间的相对位置关系得出弹目相线角，通过反射内存卡控制二轴转台，使得三轴转台和二轴转台产生弹目视线角。

目标模拟装置中的激光器主要用于产生特定波长、特定脉宽和特定编码的目标激光，并在控制器的作用下实时控制激光能量的大小。

目标模拟装置中的激光传输模块包括光纤耦合模块和匀光准直模块，具体如下：

光纤耦合模块，光纤耦合是通过光学系统的变换将光束宽度和光束的入射角调整到光纤的容量以内，光束能量就可以完全进入光纤并通过光纤进行传导；匀光准直模块，将光纤出口的激光约束到所需的光斑直径和发散角。

目标模拟装置中的出光模块主要用于将光纤的发散角约束在一定的角度之内，使其满足指标要求的光线发散角。

激光能量传输的过程是激光器产生一个特定频率的激光脉冲信号，该激光脉冲信号经过光路传输到位于二轴转台上的出光模块。目标模拟装置的主要作用是在试验条件下实现导引头入瞳光学特性的真实模拟，具言之，就是实现以下两个功能：

1)模拟导引头在实战环境下接收到的激光能量，即在半实物仿真中为导引头提供的能量应与导引头在实战环境下接收到的能量一致。

2)模拟实战环境中光斑的运动，即在半实物仿真中导引头和模拟目标光斑的运动规律应与实战中弹目视线的运动规律一致。

目标模拟装置的主要性能参数包括：

光斑能量：例如10mw-50mw；光斑直径：例如大于10mm；激光波长：例如1.064μm；光束发散角：例如小于3mrad；不间断工作时间：例如大于10min。

5、姿态模拟装置

姿态模拟装置为三轴转台，模拟导弹的飞行姿态；仿真目标机通过解算弹体模型得出偏航、俯仰和滚转三个姿态角，根据姿态角分别控制三轴转台的外、中、内三环，实现对导弹姿态的模拟，复现导弹在空中的角运动特性。

三轴转台根据仿真目标机所解算出的导弹姿态角信号来模拟导弹姿态，从而给参试的弹上敏感设备提供一个真实的运动变化过程。转台主要由外框、中框、内框和底座构成。其中，外框模拟导弹的偏航运动；中框模拟导弹的俯仰运动；内框为圆形负载台，模拟导弹的滚转运动。作为负载的导引头和GNC安装在内框负载台上，安装方向与弹体坐标系一致，导引头位于三轴转台的回转中心。

6、加速度模拟装置

加速度模拟装置：由高精度DA模块承担，由仿真平台通过RS422控制，加速度模拟装置用于根据仿真平台所解算出来的弹体加速度信号来模拟实际中加速度计输出的电压信号。

由于转台台体滑环传输的信号易受转台功率信号干扰，不宜直接传输模拟量，因此采用三轴转台上安装加速度计模拟装置，将弹体加速度通过RS422接口传输给加速度模拟装置，转换成模拟量，供GNC系统使用。

加速度计模拟装置的主要性能参数包括：

波特率：输入数字信号的波特率，例如115200bps；电压范围：输出模拟电压的范围，例如0-5V；分辨率：输出模拟电压的分辨率，例如1mV；噪声：输出模拟电压的噪声水平，例如1mV；带宽：输出模拟电压的带宽，例如不小于100Hz。

加速度模拟装置的参数要根据制导控制系统的指标要求以及加速度计的性能确定。

7、负载模拟装置

负载模拟装置模拟导弹飞行过程中舵片受到的气动力矩。导弹在飞行的过程中舵片表面会受到气动力矩，负载模拟装置用来向舵机加载负载力矩。

负载模拟装置与舵机相连，采用弹簧力矩加载器作为负载模拟装置，加载力矩的大小与舵机偏转的角度成正比。弹簧力矩加载器主要由力矩弹簧和连接机构组成，弹簧力矩系数为0.1N·m/°。

8、发控装置

发控装置承担确认导弹自检正常功能，并提供初始化信息。发控装置由具有CAN通信功能的DSP承担，在导弹发射前对其发出自检指令，确保各部分工作正常；然后对其注入初始化指令；就绪后发出导弹发射指令。

如图2所示，本仿真系统的工作流程：

第一步：编译仿真上位机中Simulink模型，并将编译好的xPC模型下载至仿真目标机中，xPC系统准备。

第二步：对所有参与半实物仿真的设备和装置上电，上电后发控系统发出系统自检指令，导引头、GNC系统、舵机响应自检指令开始自检，并将自检结果反馈回发控系统。若自检失败，则仿真终止；若自检成功，则进行数据注入。发控系统通过CAN总线将初始化数据注入给GNC系统，GNC系统接收到注入数据后反馈注入成功指令，若注入失败则仿真终止。发控系统接收到注入成功的反馈指令后，发出导弹发射指令，仿真系统进入弹道解算。

第三步：导弹发射后，仿真目标机通过AD板卡实时采集舵机电位计输出的舵偏角并将其代入弹体的数学模型进行弹道解算，得出导弹的实时姿态。仿真目标机根据导弹实时姿态，通过反射内存交换机控制三后转台运动。仿真目标机根据目标运动模型解算弹目视线角，根据弹目视线角控制二轴转台，模拟目标运动。仿真目标机根据弹体运动的加速度控制加速度模拟装置，输出模拟加速度。

第四步：安装在三轴转台上的导引头接收激光光线，将光斑重心位置通过CAN总线发送给GNC系统；加速度模拟器接收仿真目标机指令，转换为加速度模拟量发送给GNC系统；GNC中的IMU测量三轴转台的转动角速度。GNC系统根据光斑重心位置、加速度模拟量和三轴转台角速度进行导航制导解算，输出舵机控制指令，控制舵机。

至此，一个导弹控制周期完成，进入下一个重复的控制周期，直至击中目标，整个仿真过程结束。

Claims (1)

1.激光制导导弹的注入式半实物仿真系统，其特征是，该系统包括：

仿真平台：包括仿真上位机和仿真目标机，主要承担所有数学模型的搭建和解算，以及与其它参与仿真的设备通信，通过CAN总线网络与导引头、GNC系统、舵机和发控装置通信；通过反射内存交换机与姿态模拟装置、目标模拟装置通信；通过RS422与加速度模拟装置通信；

导引头：采用真实的激光导引头，接收目标模拟装置的激光信号，形成光斑重心位置信息，通过CAN总线网络为GNC系统提供目标方位；其安装于姿态模拟装置上；

GNC系统：由弹载计算机和惯性测量单元两部分组成，其安装于姿态模拟装置上；GNC系统接收加速度模拟装置提供的弹体加速度信号和导引头的目标方位，结合IMU的姿态角速度信息进行解算，得出舵控指令；

目标模拟装置：由二轴转台、激光器、传输模块和出光模块四部分组成；仿真平台通过反射内存交换机控制二轴转台模拟目标运动，形成的视线角；激光器产生的激光经过传输模块导入到安装于二轴转台上的出光模块，出射光注入导引头，模拟目标运动；

姿态模拟装置：其为三轴转台，模拟导弹的飞行姿态；仿真目标机通过解算弹体模型得出偏航、俯仰和滚转三个姿态角，根据姿态角分别控制三轴转台的外、中、内三环，实现对导弹姿态的模拟，复现导弹在空中的角运动特性；

加速度模拟装置：由高精度DA模块承担，由仿真平台通过RS422控制，模拟加速度计输出；

负载模拟装置：其与舵机相连，由力矩弹簧和连接机构组成，用于模拟导弹在飞行过程中舵机受到的气动力矩；

发控装置：由具有CAN通信功能的DSP模块承担，主要完成设备自检确认、数据注入和导弹发射指令。