CN105787155B - 红外/毫米波制导的自主寻的导弹弹道分布式联合仿真框架 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外/毫米波制导的自主寻的导弹弹道分布式联合仿真框架，包括六自由度弹道仿真模块、红外/毫米波场景生成模块和目标识别模块三个模块，步骤包括：对仿真流程初始化，设置初始仿真参数；设定误差，模拟飞行过程中受到的扰动因素，进行蒙特卡洛打靶实验；启动三个模块的程序(服务器端)，并完成初始化设置；启动三个模块的输入程序(客户端)；三个模块通过握手协议监控的形式展开各模块仿真、等待和数据传递，直至导弹命中目标或到达最远射程；重复蒙特卡洛打靶实验达到最大打靶次数，结束实验并对实验结果进行统计学计算，验证导弹的目标识别概率和命中概率。本发明能有效地提升自寻的导弹方案的设计效率。

Description

红外/毫米波制导的自主寻的导弹弹道分布式联合仿真框架

技术领域

本发明涉及一种处理红外/毫米波复合制导的自主寻的导弹六自由度弹道、红外/毫米波场景生成、目标识别三者闭环仿真的分布式联合仿真框架，属于飞行器设计领域。

背景技术

战术导弹以其命中精度高，机动能力强等特点逐渐成为不可或缺的作战武器。在未来高科技战争中，利用新的传感器技术、信息融合技术等相关技术，使发射制导装置实现“发射后不管”是一个重要的发展方向。针对红外成像/主动毫米波复合末制导体制的自主寻的导弹，在导弹的方案设计阶段，为了高效地考察自主寻的导弹的目标识别能力和精确打击能力，同时能够保证固有专业仿真程序的最小修改量和保护每位参与人员的专业技术知识产权，需要一套采用分布式仿真架构的弹道、红外/毫米波场景生成以及目标识别三个模块的联合仿真框架。采用分布式仿真架构即保证了模块之间的独立性，又使实验方案具有了很强的扩展性，便于以后更多相关模块的添加。

发明内容

本发明公开了一种红外/毫米波制导的自主寻的导弹弹道分布式联合仿真框架，要解决的技术问题是在自主寻的导弹的方案设计阶段，在保证固有专业仿真程序的最小修改量和保护每位参与人员专业技术知识产权的前提下，开展自主寻的导弹六自由度弹道、红外/毫米波场景生成以及目标识别的分布式联合仿真，考察导弹的目标识别概率和命中精度。利用本发明公开的联合仿真框架，能够有效地提升自寻的导弹方案设计的设计效率，并对导弹的目标识别概率和命中精度进行有效地验证。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明采用C++语言开发了基于TCP/IP的数据传输程序，实现六自由度弹道、红外/毫米波场景生成和目标识别三个模块多机间数据通信。考虑到三者之间的数据传递量小于6M/s(由以25帧为频率，分辨率为640×480的红外视景图片所占的最大字节数计算得出)，选用3节点环形拓扑结构的快速以太网的TCP/IP协议进行数据传输。TCP/IP数据传输的服务器端以代码的形式集成进六自由度弹道、红外/毫米波场景生成和目标识别模块的仿真分析输出程序中，主要设计步骤包括创建套接字Socket、绑定Socket、设置监听模式、建立连接、发送数据和关闭套接字。TCP/IP数据传输的客户端程序独立运行，作为六自由度弹道、红外/毫米波场景生成和目标识别模块的仿真分析输入程序，采用独立线程挂起和唤醒交替的方式不停访问上游模块程序的输出结果，包括创建套接字、发送连接请求、接收数据和关闭套接字四个部分。

为了保证弹道联合仿真框架中六自由度弹道、红外/毫米波场景生成和目标识别三个模块间数据传输的准确性与一致性，本发明对多机间通信的握手协议进行了定制，分别为联合仿真结束标识符、结果输入标识符和目标识别标识符。其中，1)联合仿真结束标识符的创建与修改由六自由度弹道模块的输出程序完成，当标识符的值为0时，表示导弹命中目标或达到最远射程，联合仿真结束；当标识符为1时，表示导弹尚未命中目标，联合仿真继续按照预设步长推进。2)结果输入标识符由各模块输出程序创建，在输出程序和输入程序均需作出修改，当标识符的值为0时，表示当前模块的输入程序没有接收到上游模块输出程序的计算结果，不允许输出程序进行本次运算；当标识符为1时，表示当前模块的输入程序接收到了上游模块输出程序的计算结果，允许输出程序进行本次计算。3)目标识别标识符创建于弹道的输出程序，在红外/毫米波目标识别模块的输出程序进行修改，当标识符的值为0时，表示当前的视场区域内目标不存在或无法辨识目标，导弹需要维持飞行姿态，导引头继续按照指定的扫描搜索规律运动；当标识符为1时，表示目标在当前的视场区域并且成功捕获。

对于六自由度弹道、红外/毫米波场景生成和目标识别三个模块客户端进程和服务器端进程的本地通信，本发明采用C++语言开发了共享内存功能程序，实现了不同进程间的数据传递。共享内存程序共包含两个部分，即共享内存的创建(位于模块输入程序)与共享内存的读取(位于模块输出程序)。两部分功能模块通过一个构造函数实现，主要步骤包括共享内存名称的赋值或匹配、内存字节数的赋值、内存结果的赋值和提取。

本发明公开的一种红外/毫米波制导的自主寻的导弹弹道分布式联合仿真框架，包括六自由度弹道仿真模块、红外/毫米波场景生成模块和目标识别模块三个模块，步骤包括：

步骤1，对弹道联合仿真流程初始化，设置蒙特卡洛打靶实验的打靶总次数N、当前蒙特卡洛打靶实验次数k和仿真时间步长t等初始参数；

步骤2，根据给定的GPS+INS、弹体参数、发动机推力、发射扰动和环境适应性等误差，对六自由度弹道仿真模块进行修改，模拟自主寻的导弹飞行过程中受到的扰动因素，进行蒙特卡洛打靶实验；

步骤3，启动六自由度弹道仿真模块输出程序(服务器端)、红外/毫米波场景生成模块输出程序(服务器端)和目标识别模块输出程序(服务器端)，并完成初始化设置；

步骤4，启动六自由度弹道仿真模块输入程序(客户端)、红外/毫米波视景生成模块输入程序(客户端)和目标识别模块输入程序(客户端)；

步骤5，六自由度弹道仿真模块、红外/毫米波视景生成模块和目标识别模块以仿真时间步长推进，通过握手协议监控的形式展开各模块仿真、等待和数据传递，直至导弹命中目标或到达最远射程；

步骤6，保存单次蒙特卡洛打靶实验的全弹道数据和场景图像信息，当k<N时，返回步骤2进行下一次蒙特卡洛打靶实验；当k＝N时，达到最大打靶次数，结束联合仿真实验；

步骤7，对N次蒙特卡洛打靶实验的结果进行统计学计算，验证自主寻的导弹的目标识别概率和命中概率。

进一步地，步骤5中各模块间数据接口协议如下：

1)六自由度弹道仿真模块服务器端发送的数据和客户端接收的数据内容如表3、表4所示，

表3六自由度弹道模块服务器端发送的数据内容

表4六自由度弹道模块客户端接收的数据内容

其中，六自由度弹道仿真模块服务器端向红外/毫米波场景生成模块的客户端发送数据，六自由度弹道仿真模块客户端接收来自目标识别服务器端发送来的数据。

2)红外/毫米波场景生成模块服务器端发送的数据和客户端接收的数据内容如表5、表6所示，

表5红外/毫米波场景生成模块服务器端发送的数据内容

表6红外/毫米波场景生成模块客户端接收的数据内容

其中，红外/毫米波场景生成模块服务器端向目标识别模块的客户端发送数据，红外/毫米波场景生成模块客户端接收来自六自由度弹道仿真模块服务器端发送来的数据；

3)目标识别模块服务器端发送的数据和客户端接收的数据内容如表7、表8所示，

表7目标识别模块服务器端发送的数据内容

表8目标识别模块客户端接收的数据内容

其中，目标识别模块服务器端向六自由度弹道仿真模块的客户端发送数据，目标识别模块客户端接收来自红外/毫米波场景生成模块服务器端发送来的数据。

进一步地，步骤7包括步骤71、72，步骤71，统计N次蒙特卡洛打靶实验中目标识别模块正确识别出目标的次数m，计算自主寻的导弹的目标识别概率；

步骤72，统计N次蒙特卡洛打靶实验中导弹的落点位置，计算得到自主寻的导弹的圆概率误差CEP，即导弹的命中精度。

本发明的有益效果：

1.针对采用红外成像/主动毫米波复合末制导体制的自主寻的导弹，在导弹的方案设计阶段，利用本发明提出的弹道联合仿真框架，能够以较小的时间成本和经济成本，有效地考察自主寻的导弹的目标识别概率和命中精度，为自主寻的导弹的方案设计提供设计依据。

2.本发明采用分布式的架构开展红外/毫米波复合制导的弹道联合仿真，保证了六自由度弹道程序、红外/毫米波场景生成程序和目标识别程序等专业仿真程序的最小修改量，同时保护每位参与人员的专业技术知识产权，有利于多家单位联合展开仿真工作。

3.本发明采用共享内存的本地通信方式，保证了六自由度弹道模块、红外/毫米波场景生成模块和目标识别模块的服务器端能够高效地发送数据，客户端能够高效地接收数据。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为红外/毫米波制导的自主寻的导弹弹道分布式联合仿真框架示意图；

图2为弹道联合仿真流程图；

图3为六自由度弹道模块服务端与客户端逻辑传递关系图；

图4为红外/毫米波场景生成模块服务端与客户端逻辑传递关系图；

图5为目标识别模块服务端与客户端逻辑传递关系图；

图6为红外毫米波均未捕获目标时的场景图；

图7为毫米波捕获目标的场景图；

图8为红外开始检测目标的场景图；

图9为红外检出目标并跟踪的场景图；

图10为打击20公里静止目标的导弹落点分布；

图11为打击20公里运动目标的导弹落点分布。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的技术方案，以精确打击导弹PAM弹为弹道联合仿真实例，结合表格、附图对本发明的有益效果进行验证分析。

首先对应用到的相关基础方法做具体介绍：

1多机数据通信方式

1)握手协议

对于采用分布式架构的多模块联合仿真框架，配置于多台计算机上的不同模块之间任何数据信息的传送总是伴随着一些控制信息的传递，它们需要按照既定的通讯协议工作，将数据信息安全、可靠、高效地传送到目的模块，而握手协议就是保证不同模块之间和模块自身不同进程之间的数据传输准确性与一致性的规定。

实现多机分布式仿真的数据与逻辑同步，握手协议能实现以下两个功能：

a)保证各模块数据传递的准确性与一致性，防止仿真流程上一模块的结果没有完成更新，而下一模块错误取数；

b)判断程序是否进入相应的状态。

2)基于TCP/IP协议的分布式数据通信方式

常用的分布式数据通信方式有反射内存网、基于TCP/IP协议的千兆以太网/快速以太网、光纤通信(FDDI)等，数据传输速率与节点数数量限制如表1所示。其中，TCP/IP数据传输程序分为服务器端和客户端两部分，服务器端的程序以代码的形式集成进各模块的仿真分析输出程序中，服务器端的主要设计步骤包括创建套接字Socket、绑定Socket、设置监听模式、建立连接、发送数据和关闭套接字六个部分。客户端程序独立运行，作为模块的仿真分析输入程序，采用独立线程挂起和唤醒交替的方式不停地访问上游模块输出程序的计算结果，包括创建套接字、发送连接请求、接收数据和关闭套接字四个部分。

表1常用数据通信方式比较

2本地数据交换方式

IPC(Inter-process communication)意为进程间通信，是指多个进程或线程之间进行数据交换的方法，用于实现本地应用程序的交互。通常Windows中实现IPC的通信手段有：共享内存、剪贴板、动态链接库(DLL)、磁盘文件方式等，其中共享内存是一种非常高效的进程间通信方式。

共享内存是指两个独立的进程A、B可以访问同一物理内存，即同一块物理内存同时被映射到A、B各自的进程地址空间。进程A可以及时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之，进程B也可以及时看到进程A对共享内存中数据的更新。采用共享内存通信方式的实施过程仅需2次数据拷贝，一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件。

3考察命中精度的验证方法

为考察命中精度，采用蒙特卡洛打靶仿真试验的方式，借助概率化的数学模型描述导弹飞行过程中的各类误差扰动，通过多次联合仿真，得到导弹落点的统计结果，进而得到导弹圆概率误差(Circular errorprobable,CEP)。

CEP是指瞄准点在目标中心，随机落入50％射弹的圆域的半径。设(X,Z)为导弹的落点坐标，并假设X,Z独立，即ρ＝0，则CEP可由下式给出：

式中μX、μZ为落点均值，为落点方差，当P＝50％时，R就是导弹的圆概率误差CEP。

当不存在系统误差，即μ_X＝μ_Z＝0时，圆概率误差计算公式为：

上式适用于σ_X/σ_Z＝0.28～3.57的场合，满足常规导弹CEP的计算。

导弹的命中精度与导弹飞行全过程中涉及到的不确定性因素密切相关，命中精度误差来源包括：弹上惯性器件的误差、弹体参数的误差、发动机推力的误差、发射扰动的误差和环境适应性等等，详细误差源及概率统计模型如表2所示。

表2实验涉及误差汇总

蒙特卡洛法打靶仿真试验方法具体实施要经过几个过程，即建立数学模型、进行模拟试验和模拟试验数据分析。可以具体地归纳为以下几个主要步骤：

1)确定实验如表2所示的各种随机扰动因素及其分布律；

2)根据各随机扰动变量的分布律，构造相应的数学概率模型，以产生各随机扰动变量的抽样值；

3)建立导弹系统数学模型；

4)将随机变量的抽样值输入导弹系统数学模型，解算弹道，得到随机扰动弹道参数；

5)重复4)，进行多次模拟打靶，获得随机弹道参数子样；

6)对模拟打靶结果进行处理，得到弹道参数的统计特征值。

实施例1：PAM弹的弹道联合仿真

PAM是美国一款非视线亚声速反坦克导弹，拟用于美国陆军现代反恐作战和美国海军登陆作战，具有“发射后不管”的能力。将PAM弹作为基准弹，六自由度弹道方案采用20km低空平飞弹道(分别对动静目标进行打击)，导引头采用红外/毫米波复合制导体制，导弹进入目标区域后导引头进行扫描、识别和捕获目标。采用本发明所提的红外/毫米波制导的自主寻的导弹弹道分布式联合仿真框架，对PAM弹的目标识别概率和命中精度进行考察，具体的实施步骤如下：

步骤1，进行弹道联合仿真流程的初始化，设置蒙特卡洛打靶实验的打靶总次数N＝500，当前蒙特卡洛打靶实验次数k＝1和仿真时间步长t＝0.1s。

步骤2，在PAM弹20km低空平飞弹道仿真模块中加入GPS+INS、弹体参数、发动机推力、发射扰动和环境适应性的误差模型。

步骤3，将六自由度弹道仿真模块、红外/毫米波场景生成模块和目标识别模块配置于3台计算机上，启动各个模块的输出程序(服务器端)，完成初始化设置(包括六自由度弹道仿真模块的弹道初始状态量的初始化，三个模块仿真标示符的初始化)。

步骤4，启动六自由度弹道仿真模块、红外/毫米波场景生成模块和目标识别模块的输入程序(客户端)。

步骤5，六自由度弹道仿真模块独立运行直至导弹进入目标区域，开始进行按时间步长t＝0.1s推进的第k次弹道联合仿真。

步骤51，根据三个模块间既定的握手协议和数据接口协议，六自由度弹道模块服务器端每0.1s向红外/毫米波场景生成模块的客户端发送仿真结束标示符、导弹位置、导引头下视角和导引头扫描角。

步骤52，红外/毫米波场景生成模块的服务器端通过共享内存的方式进行取数，生成对应的红外/毫米波场景，同时向目标识别的客户端发送仿真结束标示符和图像数据。

步骤53，目标识别的服务器端通过共享内存的方式读出图像数据，由目标识别算法进行目标识别，并向六自由度弹道模块的客户端发送仿真结束标识符、捕获目标标识符和目标的位置。

步骤54，六自由度弹道模块服务器端在共享内存中读取数据后开始下一个步长的仿真，直至导弹命中目标或是达到最远射程20km。

步骤6，保存单次蒙特卡洛打靶实验的全弹道数据和场景图像信息，当k<N时，返回步骤2，进行下一次蒙特卡洛打靶实验，并将打靶次数加1；当k＝N时，达到最大打靶次数，结束联合仿真实验。

步骤7，根据N次蒙特卡洛打靶实验，统计得到目标识别概率和导弹圆概率误差CEP。

本发明说明书中未做详细说明的内容均为本领域相关的基础知识与技术。

下面分别给出500次蒙特卡洛打靶实验得到的目标识别概率和命中精度的统计结果。

1)经过500次蒙特卡洛打靶实验，发现有43套数据存在误识别的情况，正确识别目标的概率为91.38％。图6-图9给出了单次蒙特卡洛打靶实验红外/毫米波复合制导的工作过程。

2)经过500次蒙特卡洛打靶实验，对20公里静止目标的CEP为0.2m，对20公里运动目标的CEP为0.15m，落点分布如图10和11所示。

根据前述的PAM弹的弹道联合仿真实例分析可见，本发明基本实现了预期的发明目的，本发明有助于在自主寻的导弹的方案设计阶段对导弹的目标识别概率和命中精度进行有效地考察与验证；另一方面本发明还有效地保证了六自由度弹道程序、红外/毫米波场景生成程序和目标识别程序的最小量修改，保护了每位参与人员的专业技术知识产权。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种红外/毫米波制导的自主寻的导弹弹道分布式联合仿真系统，包括六自由度弹道仿真模块、红外/毫米波场景生成模块和目标识别模块三个模块，其特征在于，步骤包括：

步骤1，对弹道联合仿真流程初始化，设置初始参数：蒙特卡洛打靶实验的打靶总次数N、当前蒙特卡洛打靶实验次数k和仿真时间步长t；

步骤2，根据给定的GPS+INS、弹体参数、发动机推力、发射扰动和环境适应性误差，对六自由度弹道仿真模块进行修改，模拟自主寻的导弹飞行过程中受到的扰动因素，进行蒙特卡洛打靶实验；

步骤3，启动六自由度弹道仿真模块输出程序、红外/毫米波场景生成模块输出程序和目标识别模块输出程序，并完成初始化设置；

步骤4，启动六自由度弹道仿真模块输入程序、红外/毫米波视景生成模块输入程序和目标识别模块输入程序；

步骤5，六自由度弹道仿真模块、红外/毫米波视景生成模块和目标识别模块以仿真时间步长推进，通过握手协议监控的形式展开各模块仿真、等待和数据传递，直至导弹命中目标或到达最远射程；

步骤6，保存单次蒙特卡洛打靶实验的全弹道数据和场景图像信息，当k<N时，返回步骤2进行下一次蒙特卡洛打靶实验；当k＝N时，达到最大打靶次数，结束联合仿真实验；

步骤7，对N次蒙特卡洛打靶实验的结果进行统计学计算，验证自主寻的导弹的目标识别概率和命中概率。

2.根据权利要求1所述的红外/毫米波制导的自主寻的导弹弹道分布式联合仿真系统，其特征在于，所述步骤5中各模块间数据接口协议如下：

1)所述六自由度弹道仿真模块服务器端发送的数据和客户端接收的数据内容如表3、表4所示，

表3 六自由度弹道模块服务器端发送的数据内容

表4 六自由度弹道模块客户端接收的数据内容

其中，所述六自由度弹道仿真模块服务器端向所述红外/毫米波场景生成模块的客户端发送数据，六自由度弹道仿真模块客户端接收来自目标识别服务器端发送来的数据；

2)所述红外/毫米波场景生成模块服务器端发送的数据和客户端接收的数据内容如表5、表6所示，

表5 红外/毫米波场景生成模块服务器端发送的数据内容

表6 红外/毫米波场景生成模块客户端接收的数据内容

其中，所述红外/毫米波场景生成模块服务器端向所述目标识别模块的客户端发送数据，所述红外/毫米波场景生成模块客户端接收来自所述六自由度弹道仿真模块服务器端发送来的数据；

3)所述目标识别模块服务器端发送的数据和客户端接收的数据内容如表7、表8所示，

表7 目标识别模块服务器端发送的数据内容

表8 目标识别模块客户端接收的数据内容

其中，所述目标识别模块服务器端向所述六自由度弹道仿真模块的客户端发送数据，所述目标识别模块客户端接收来自所述红外/毫米波场景生成模块服务器端发送来的数据。

3.根据权利要求2所述的红外/毫米波制导的自主寻的导弹弹道分布式联合仿真系统，其特征在于，所述步骤7包括步骤71、72，

步骤71，统计N次蒙特卡洛打靶实验中目标识别模块正确识别出目标的次数m，计算自主寻的导弹的目标识别概率；

步骤72，统计N次蒙特卡洛打靶实验中导弹的落点位置，计算得到自主寻的导弹的圆概率误差CEP，即导弹的命中精度。