CN107145081A - 一种空馈式低频寻的半实物仿真试验方法及系统 - Google Patents
一种空馈式低频寻的半实物仿真试验方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种空馈式低频寻的半实物仿真试验方法,包括:搭建空馈式低频寻的半实物仿真系统;基于惯性坐标系、弹体坐标系和暗室内实验室坐标系的变换关系,确定天线阵列位置控制指令;确定转台控制角;控制天线阵列和三轴转台;采集姿态运动信息和目标信息。本发明还公开一种空馈式低频寻的半实物仿真试验系统。本发明中,通过采用转台外置、导引头固定的方式彻底消除转台对导引头探测精度的影响,解决了空馈低频的技术难题,准确、逼真的完成了空馈式低频寻的半实物仿真试验。
Description
技术领域
本发明涉及半实物仿真试验技术领域。更具体地,涉及一种空馈式低频寻的半实物仿真试验方法及系统。
背景技术
半实物仿真是一种将控制器与在计算机上实现的控制对象的仿真模型联接在一起进行试验的技术。在这种试验中,控制器的动态特性、静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来,因此它是一种更接近实际的仿真试验技术。这种仿真技术可用于修改控制器设计(即在控制器尚未安装到真实系统中之前,通过半实物仿真来验证控制器的设计性能,若系统性能指标不满足设计要求,则可调整控制器的参数,或修改控制器的设计),同时也广泛用于产品的修改定型、产品改型和出厂检验等方面。
半实物仿真具有以下特点:
(1)只能是实时仿真,即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同。
(2)需要解决控制器与仿真计算机之间的接口问题。例如,在进行飞行器控制系统的半实物仿真时,在仿真计算机上解算得出的飞机姿态角、飞行高度、飞行速度等飞行动力学参数会被飞行控制器的传感器所感受,因而必须有信号接口或变换装置。这些装置例如是三自由度飞行仿真转台、动压-静压仿真器、负载力仿真器等。
(3)半实物仿真的实验结果比数学仿真更接近实际。
目前,三轴转台能为导引头和惯性测量组合提供角运动环境,是半实物仿真试验系统中必不可少的设备。由于转台由金属材料构成,在射频仿真暗室中必然产生电磁反射,对安装于内框上的无线电导引头产生干扰,因此暗室中的转台需要进行屏蔽处理。
低频寻的制导仿真试验中,导引头频率的降低给射频仿真试验系统带来了显著的问题。由于仿真暗室中转台在低频段对导引头探测精度影响显著,目前常采用路馈方式解决低频段仿真问题。路馈式由于信号直接注入,不能验证导引头中射频天线从接收无线电波到提取出有效信号的这部分功能,缺乏高可信度的导引头数学模型,因此,路馈式仿真无法对导引头进行全面检验。空馈式因为完全模拟了导引头真实的工作环境,因此能够全面验证导引头的性能。
因此,需要提供一种空馈式低频寻的半实物仿真试验方法及系统。
发明内容
本发明目的在于提供一种空馈式低频寻的半实物仿真试验方法,解决传统路馈注入式仿真试验方法无法对低频导引头进行全面验证的半实物仿真试验问题。
为达到上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种空馈式低频寻的半实物仿真试验方法,包括:
S1:搭建空馈式低频寻的半实物仿真系统;空馈式低频寻的半实物仿真系统包括弹上计算机、惯性测量装置、低频探测导引头、三轴转台、低频暗室、低频信号生成分系统、天线阵列及馈电分系统和仿真计算机,其中,低频探测导引头和天线阵列及馈电分系统设置于低频暗室内部;
S2:基于惯性坐标系、弹体坐标系和暗室内实验室坐标系的变换关系,确定天线阵列位置控制指令;
S3:确定转台控制角;
S4:控制天线阵列和三轴转台;
S5:采集姿态运动信息和目标信息。
优选地,弹上计算机用于采集低频探测导引头和惯性测量装置的输出信息,进行导航和制导控制;
惯性测量装置用于测量三轴转台复现的姿态运动信息;
低频探测导引头用于测量天线阵列输出的低频辐射,向弹上计算机提供目标角度信息;
三轴转台用于模拟弹体的姿态运动,为惯性测量组合提供角运动环境;
低频暗室用于提供无回波的自由空间环境;
低频信号生成分系统用于模拟雷达照射信号;
天线阵列及馈电系统用于模拟弹目的视线角运动;
仿真计算机用于得到导弹的飞行弹道和目标的运动轨迹,形成各试验设备的控制参数。
优选地,在低频暗室内采用无电磁反射或低电磁反射的支撑结构对导引头进行支撑。
优选地,惯性坐标系,x轴在水平面上朝前指向发射方向,y轴在垂直面内朝上,z轴符合右手定则;
弹体坐标系,x轴沿导弹中轴从弹尾指向弹头,y轴垂直朝上,z轴符合右手定则;
暗室内实验室坐标系,原点固定在导引头安装支架出,x轴朝前指向阵列,y轴垂直朝上,z轴符合右手定则。
进一步优选地,步骤S2具体包括以下步骤:
S201:在暗室中设置用于模拟射频目标的三元组天线阵列,被导引头探测后形成两轴目标视线角;
S202:计算惯性坐标系Axyz下目标的归一化位置:
其中,(x,y,z)为惯性坐标系下目标的归一化位置,qα为惯性坐标系下的俯仰视线角,qβ为惯性坐标系下的方位视线角;
S203:计算弹体坐标系Ox1y1z1下目标的归一化位置:
其中,(x1,y1,z1)为弹体坐标系下目标的归一化位置,qα1为弹体坐标系下的俯仰视线角,qβ1为弹体坐标系下的方位视线角,为惯性坐标系到弹体坐标系的转换矩阵,n表示发射系,1表示弹体系,ψ为惯性坐标系到弹体坐标系弹体的方位角的变换角度,θ为惯性坐标系到弹体坐标系弹体的俯仰角的变换角度,γ为惯性坐标系到弹体坐标系弹体的滚转角的变换角度;
S204:计算暗室内实验室坐标系Oxsyszs下目标的归一化位置:
其中,(xs,ys,zs)为暗室内实验室坐标系下目标的归一化位置,qαs为暗室内实验室坐标系下的俯仰视线角,qβs为暗室内实验室坐标系下的方位视线角,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的转换矩阵,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的方位角的变换角度,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的俯仰角的变换角度,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的滚转角的变换角度;
S205:计算天线阵列的控制角度:
进一步优选地,步骤S3具体包括以下步骤:
S301:建立转台坐标系,其中x轴为内框旋转轴,y轴朝上,z轴与x、y轴符合右手定则;
S302:转台坐标系与本体坐标系之间的变换关系为:
其中,(ψT,θT,γT)为转台控制角,(ψ,θ,γ)为弹体相对于惯性坐标系的姿态角,(ψ*,θ*,γ*)为转台坐标系和惯性坐标系之间的偏差角,为惯性坐标系到弹体坐标系的变换矩阵,为转台坐标系到惯性坐标系的变换矩阵,为转台坐标系到本体坐标系的变换矩阵;
S303:求解变换矩阵计算得到转台方位、俯仰和滚转三轴的控制角(ψT,θT,γT)。
进一步优选地,步骤S4具体包括以下步骤:
S401:仿真计算机根据S2得到的天线阵列位置控制指令,控制信号源和阵列天线;
S402:仿真计算机根据S3得到的转台方位、俯仰、滚转三轴的控制角(ψT,θT,γT),控制三轴转台运动到指定的位置。
优选地,弹上计算机采集惯性测量装置测量得到的姿态运动信息和低频探测导引头测量得到的目标角度信息,进行导航和制导控制。
本发明的另一个目的在于提供一种空馈式低频寻的半实物仿真试验系统,其特征在于,包括:弹上计算机、惯性测量装置、低频探测导引头、三轴转台、低频暗室、低频信号生成分系统、天线阵列及馈电分系统和仿真计算机,其中,低频探测导引头和天线阵列及馈电分系统设置于低频暗室内部,
弹上计算机用于采集低频探测导引头和惯性测量装置的输出信息,进行导航和制导控制;
惯性测量装置用于测量三轴转台复现的姿态运动信息;
低频探测导引头用于测量天线阵列输出的低频辐射,向弹上计算机提供目标角度信息;
三轴转台用于模拟弹体的姿态运动,为惯性测量组合提供角运动环境;
低频暗室用于提供无回波的自由空间环境;
低频信号生成分系统用于模拟雷达照射信号;
天线阵列及馈电系统用于模拟弹目的视线角运动;
仿真计算机用于得到导弹的飞行弹道和目标的运动轨迹,形成各试验设备的控制参数。
本发明的有益效果如下:
本发明的优点在于采用转台外置、导引头固定的方式彻底消除转台对导引头探测精度的影响,解决了空馈低频的技术难题,准确、逼真的完成了空馈式低频寻的半实物仿真试验。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出空馈式低频寻的半实物仿真试验方法步骤图。
图2示出空馈式低频寻的半实物仿真系统组成示意图。
图3示出不同坐标系变换关系示意图。
图中:1、弹上计算机;2、惯性测量装置;3、低频探测导引头;4、三轴转台;5、低频暗室;6、低频信号生成分系统;7、天线阵列及馈电分系统;8、仿真计算机。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
空馈式仿真方法已经在2-18GHz的导引头仿真试验中得到了充分的验证,由于和高频段相比,暗室中模拟弹体姿态的三轴转台在低频段对导引头影响显著,所以该方法之前没有能够应用在低频(200M~2GHz)导引头仿真试验。
本发明针对转台对导引头的潜在影响,提出采用转台外置的空馈式低频制导半实物仿真试验方法。转台外置是指将安装惯性测量组合的三轴飞行转台从暗室内转到暗室外,而将导引头固定在暗室内。由于采用导引头固定安装的方式,在仿真试验过程中暗室内复现的弹目相对运动关系不再处于惯性空间,而是以导引头(弹体)为基准的非惯性空间。此时,外置于暗室的三轴飞行转台连同内框上的惯性测量组合仍处在惯性空间中来模拟弹体的姿态运动。
如图1所示,一种空馈式低频寻的半实物仿真试验方法的具体步骤为:
第一步搭建空馈式低频寻的半实物仿真系统
如图2所示,空馈式低频寻的半实物仿真系统,包括:弹上计算机1,惯性测量装置2,低频探测导引头3,三轴转台4,低频暗室5,低频信号生成分系统6,天线阵列及馈电分系统7,仿真计算机8。其中,弹上计算机1、惯性测量装置2和低频探测导引头3通称弹上实物。
其中,各部分功能介绍如下:
弹上计算机1用于采集低频探测导引头3和惯性测量装置2的输出信息,进行导航和制导控制。
惯性测量装置2用于测量三轴转台4复现的姿态运动信息。
低频探测导引头3用于测量天线阵列输出的低频辐射,向弹上计算机1提供目标角度信息。
三轴转台4用于模拟弹体的姿态运动,为惯性测量组合提供角运动环境。
低频暗室5用于提供一个无回波的自由空间环境,防止外部的电磁信号对试验的影响。
低频信号生成分系统6用于模拟雷达照射信号。
天线阵列及馈电系统7用于模拟弹目的视线角运动。
仿真计算机8用于得到导弹的飞行弹道和目标的运动轨迹,形成各试验设备的控制参数。
和现有半实物仿真系统相比,本系统最大的区别是在暗室中采用无或低电磁反射的支撑结构代替了三轴飞行转台来对导引头进行支撑,而将三轴飞行转台置于射频暗室外,彻底消除低频信号下三轴飞行转台对导引头探测精度的影响。
第二步确定天线阵列位置控制指令
暗室内复现的弹目相对运动关系是以导引头(弹体)为基准的非惯性空间。
(1)在暗室中设置用于模拟射频目标的三元组天线阵列,被导引头探测后形成两轴目标视线角;
(2)计算惯性坐标系Axyz下目标的归一化位置:
其中,(x,y,z)为惯性坐标系下目标的归一化位置,qα为惯性坐标系下的俯仰视线角,qβ为惯性坐标系下的方位视线角;
(3)计算弹体坐标系Ox1y1z1下目标的归一化位置:
其中,(x1,y1,z1)为弹体坐标系下目标的归一化位置,qα1为弹体坐标系下的俯仰视线角,qβ1为弹体坐标系下的方位视线角,为惯性坐标系到弹体坐标系的转换矩阵,n表示发射系,1表示弹体系,ψ为惯性坐标系到弹体坐标系弹体的方位角的变换角度,θ为惯性坐标系到弹体坐标系弹体的俯仰角的变换角度,γ为惯性坐标系到弹体坐标系弹体的滚转角的变换角度;
应注意的是,通常两个坐标系的转换关系如下:
设坐标系a按照顺序分别经过的ψ,θ,γ角度旋转变换到坐标系b对应的旋转矩阵为则有:
(4)计算暗室内实验室坐标系Oxsyszs下目标的归一化位置:
其中,(xs,ys,zs)为暗室内实验室坐标系下目标的归一化位置,qαs为暗室内实验室坐标系下的俯仰视线角,qβs为暗室内实验室坐标系下的方位视线角,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的转换矩阵,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的方位角的变换角度,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的俯仰角的变换角度,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的滚转角的变换角度;
(5)计算天线阵列的控制角度:
三个坐标系的相互关系是用于在实验室坐标系下去控制目标阵列来模拟发射坐标系和弹体坐标系下的导弹-目标视线角。
第三步确定转台控制角
如图3所示,外置于暗室的三轴飞行转台连同内框上的惯性测量组合仍处在惯性空间中来模拟弹体的姿态运动。(ψT,θT,γT)为转台控制角,(ψ,θ,γ)为本体相对于赤道惯性系的姿态角,(ψ*,θ*,γ*)为转台坐标系和惯性坐标系之间的偏差角。为惯性坐标系到本体坐标系的变换矩阵,值得注意的是并不是赤道惯性系到本体坐标系的变换矩阵。为转台坐标系到惯性坐标系的变换矩阵,为转台坐标系到本体坐标系的变换矩阵。转台坐标系与本体坐标系之间的变换关系为:
通过求解变换矩阵可计算得到转台方位、俯仰、滚转三轴的控制角(ψT,θT,γT)。
第四步控制天线阵列和三轴转台4
仿真计算机8根据第二步得到的天线阵列位置控制指令,控制信号源和阵列天线。根据第三步得到的转台方位、俯仰、滚转三轴的控制角(ψT,θT,γT),控制三轴转台4运动到指定的位置。
第五步采集姿态运动信息和目标信息
弹上计算机1采集惯性测量装置2测量得到的姿态运动信息和低频探测导引头3测量得到的目标角度信息,进行导航和制导控制。
至此,实现了一种空馈式低频寻的半实物仿真试验。
本发明还公开了一种应用上述方法的空馈式低频寻的半实物仿真试验系统,包括:弹上计算机1、惯性测量装置2、低频探测导引头3、三轴转台4、低频暗室5、低频信号生成分系统6、天线阵列及馈电分系统7和仿真计算机8,其中,低频探测导引头3和天线阵列及馈电分系统7设置于低频暗室内部,
弹上计算机1用于采集低频探测导引头和惯性测量装置的输出信息,进行导航和制导控制;惯性测量装置2用于测量三轴转台复现的姿态运动信息;低频探测导引头3用于测量天线阵列输出的低频辐射,向弹上计算机提供目标角度信息;三轴转台4用于模拟弹体的姿态运动,为惯性测量组合提供角运动环境;低频暗室5用于提供无回波的自由空间环境;低频信号生成分系统6用于模拟雷达照射信号;天线阵列及馈电系统7用于模拟弹目的视线角运动;仿真计算机8用于得到导弹的飞行弹道和目标的运动轨迹,形成各试验设备的控制参数。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种空馈式低频寻的半实物仿真试验方法,其特征在于,包括:
S1:搭建空馈式低频寻的半实物仿真系统;
所述空馈式低频寻的半实物仿真系统包括弹上计算机、惯性测量装置、低频探测导引头、三轴转台、低频暗室、低频信号生成分系统、天线阵列及馈电分系统和仿真计算机,其中,所述低频探测导引头和所述天线阵列及馈电分系统设置于所述低频暗室内部;
S2:基于惯性坐标系、弹体坐标系和暗室内实验室坐标系的变换关系,确定天线阵列位置控制指令;
S3:确定转台控制角;
S4:控制天线阵列和三轴转台;
S5:采集姿态运动信息和目标信息。
2.根据权利要求1所述的半实物仿真试验方法,其特征在于,
所述弹上计算机用于采集低频探测导引头和惯性测量装置的输出信息,进行导航和制导控制;
所述惯性测量装置用于测量三轴转台复现的姿态运动信息;
所述低频探测导引头用于测量天线阵列输出的低频辐射,向弹上计算机提供目标角度信息;
所述三轴转台用于模拟弹体的姿态运动,为惯性测量组合提供角运动环境;
所述低频暗室用于提供无回波的自由空间环境;
所述低频信号生成分系统用于模拟雷达照射信号;
所述天线阵列及馈电系统用于模拟弹目的视线角运动;
所述仿真计算机用于得到导弹的飞行弹道和目标的运动轨迹,形成各试验设备的控制参数。
3.根据权利要求1所述的半实物仿真试验方法,其特征在于,在所述低频暗室内采用无电磁反射或低电磁反射的支撑结构对导引头进行支撑。
4.根据权利要求1所述的半实物仿真试验方法,其特征在于,
所述惯性坐标系,x轴在水平面上朝前指向发射方向,y轴在垂直面内朝上,z轴符合右手定则;
所述弹体坐标系,x轴沿导弹中轴从弹尾指向弹头,y轴垂直朝上,z轴符合右手定则;
所述暗室内实验室坐标系,原点固定在导引头安装支架出,x轴朝前指向阵列,y轴垂直朝上,z轴符合右手定则。
5.根据权利要求4所述的半实物仿真试验方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括以下步骤:
S201:在暗室中设置用于模拟射频目标的三元组天线阵列,被导引头探测后形成两轴目标视线角;
S202:计算惯性坐标系Axyz下目标的归一化位置:
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1
其中,(x,y,z)为惯性坐标系下目标的归一化位置,qα为惯性坐标系下的俯仰视线角,qβ为惯性坐标系下的方位视线角;
S203:计算弹体坐标系Ox1y1z1下目标的归一化位置:
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其中,(x1,y1,z1)为弹体坐标系下目标的归一化位置,qα1为弹体坐标系下的俯仰视线角,qβ1为弹体坐标系下的方位视线角,为惯性坐标系到弹体坐标系的转换矩阵,n表示发射系,1表示弹体系,ψ为惯性坐标系到弹体坐标系弹体的方位角的变换角度,θ为惯性坐标系到弹体坐标系弹体的俯仰角的变换角度,γ为惯性坐标系到弹体坐标系弹体的滚转角的变换角度;
S204:计算暗室内实验室坐标系Oxsyszs下目标的归一化位置:
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其中,(xs,ys,zs)为暗室内实验室坐标系下目标的归一化位置,qαs为暗室内实验室坐标系下的俯仰视线角,qβs为暗室内实验室坐标系下的方位视线角,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的转换矩阵,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的方位角的变换角度,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的俯仰角的变换角度,为弹体坐标系到暗室内实验室坐标系的滚转角的变换角度;
S205:计算天线阵列的控制角度:
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6.根据权利要求5所述的半实物仿真试验方法,其特征在于,所述步骤S3具体包括以下步骤:
S301:建立转台坐标系,其中x轴为内框旋转轴,y轴朝上,z轴与x、y轴符合右手定则;
S302:转台坐标系与本体坐标系之间的变换关系为:
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其中,(ψT,θT,γT)为转台控制角,(ψ,θ,γ)为弹体相对于惯性坐标系的姿态角,(ψ*,θ*,γ*)为转台坐标系和惯性坐标系之间的偏差角,为惯性坐标系到弹体坐标系的变换矩阵,为转台坐标系到惯性坐标系的变换矩阵,为转台坐标系到本体坐标系的变换矩阵;
S303:求解变换矩阵计算得到转台方位、俯仰和滚转三轴的控制角(ψT,θT,γT)。
7.根据权利要求6所述的半实物仿真试验方法,其特征在于,所述步骤S4具体包括以下步骤:
S401:仿真计算机根据S2得到的天线阵列位置控制指令,控制信号源和阵列天线;
S402:仿真计算机根据S3得到的转台方位、俯仰、滚转三轴的控制角(ψT,θT,γT),控制三轴转台运动到指定的位置。
8.根据权利要求1所述的半实物仿真试验方法,其特征在于,弹上计算机采集惯性测量装置测量得到的姿态运动信息和低频探测导引头测量得到的目标角度信息,进行导航和制导控制。
9.应用权利要求1-8中任一项所述方法的空馈式低频寻的半实物仿真试验系统,其特征在于,包括:弹上计算机、惯性测量装置、低频探测导引头、三轴转台、低频暗室、低频信号生成分系统、天线阵列及馈电分系统和仿真计算机,其中,所述低频探测导引头和所述天线阵列及馈电分系统设置于所述低频暗室内部,
所述弹上计算机用于采集低频探测导引头和惯性测量装置的输出信息,进行导航和制导控制;
所述惯性测量装置用于测量三轴转台复现的姿态运动信息;
所述低频探测导引头用于测量天线阵列输出的低频辐射,向弹上计算机提供目标角度信息;
所述三轴转台用于模拟弹体的姿态运动,为惯性测量组合提供角运动环境;
所述低频暗室用于提供无回波的自由空间环境;
所述低频信号生成分系统用于模拟雷达照射信号;
所述天线阵列及馈电系统用于模拟弹目的视线角运动;
所述仿真计算机用于得到导弹的飞行弹道和目标的运动轨迹,形成各试验设备的控制参数。
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