CN109445310A - 一种红外成像制导飞行器半实物仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外成像制导飞行器半实物仿真系统，包括包括设置有第一安装面的二维滑轨、设置有第二安装面的三轴转台、设置有第一安装工装的目标模拟器和设置有第二安装工装的导引头，其中所述目标模拟器通过第一安装工装安装于二维滑轨的第一安装面，所述导引头通过第二安装工装安装于三轴转台第二安装面，二维滑轨放置于转台的正前方。本发明通过二维滑轨加三轴转台替代五轴转台(或三轴转台加两轴转台)实现半实物仿真，不会对系统的稳定性造成影响，由于滑轨可移动性较强，方法实施相对较为简单，又能节约经费，可实施性与可操作性强，同时能够满足正常的半实物仿真需求，因此相对于传统的系统和方法更具优势。

Description

一种红外成像制导飞行器半实物仿真系统及方法

技术领域

本发明属于飞行器半实物仿真技术领域，具体为一种红外成像制导飞行器半实物仿真系统及方法。

背景技术

随着计算机技术的飞速发展,半实物仿真技术已成为现代工程技术的重要支撑力量,广泛应用于航天、电工、化工、通信,特别是军事等领域方面的工程设计研究。半实物仿真在各种仿真系统中的置信度最高，具有有效性、可重复性、经济性、安全性等诸多优点，受到军事和民用各部门的高度重视。半实物仿真也称硬件在回路仿真，是装备系统研制过程中必不可少的重要手段之一。半实物仿真是将部分产品实物引入到仿真回路的一种仿真技术，在半实物仿真过程中，部分数学模型精度较高的部分或者难以用实物代替的部分，用数学模型在计算机运行；部分实物或物理模型直接引入到仿真回路，从而提高仿真的置信水平。半实物仿真作为替代真实环境或设备的一种典型方法，不仅提高仿真的可信性，也解决以往存在于系统中的许多复杂建模难题，因此半实物仿真成了主要的发展方向。

红外制导飞行器是利用红外探测器捕获和跟踪目标自身辐射的能量,从而实现寻的制导的装备,是当今红外技术的重要军事应用之一,是非常有效的精确制导打击力量。由于红外制导飞行器具有制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、效费比高、结构紧凑、机动灵活等优点,经过半个世纪的发展,已广泛发展为反坦克飞行器、空地飞行器、地空飞行器、空空飞行器、末制导炮弹、末制导子母弹以及巡航飞行器等。

目前，红外图像制导飞行器半实物仿真采用五轴转台或三轴转台加两轴转台的方案。采用五轴转台的方案操作方便，控制精度较高得到了很广泛的应用，但该五轴转台造价高昂，使用普及率低；采用三轴转台加两轴转台的方案，采用两轴转台模拟目标的运动，采用三轴转台模拟弹体的姿态运动，需要两套转台，一般转台对地基有要求，难以移动，因而造成了此方法实施相对较困难。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，亟待降低红外图像制导飞行器半实物仿真设备的造价成本，同时达到设备易于移动，可实施性与可操作性强的目的。为此，本发明提供一种红外成像制导飞行器半实物仿真系统，其特征在于包括设置有第一安装面的二维滑轨、设置有第二安装面的三轴转台、设置有第一安装工装的目标模拟器和设置有第二安装工装的导引头，其中所述目标模拟器通过第一安装工装安装于二维滑轨的第一安装面，所述导引头通过第二安装工装安装于三轴转台第二安装面，二维滑轨放置于转台的正前方。

进一步地，所述二维滑轨、三轴转台、目标模拟器和导引头之间的相对位置满足仿真坐标系的要求，所述仿真坐标系包括转台参考坐标系、参考发射坐标系，所述二维滑轨包括运动平面(图1中11-二维滑轨运动平面)，所述三轴转台包括地基平面、内框轴线，所述导引头包括纵轴、探测器光学组件，

首先建立转台参考坐标系，所述参考坐标系以三轴转台回转中心为原点，X轴指向三轴转台正前方，Y轴垂直于三轴转台第二安装面向上，Z轴与X、Y轴成右手系；然后，就二维滑轨中心(零位)相对三轴转台中心的位置进行测量，同时对二维滑轨、导引头第二安装工装和目标模拟器第一安装工装提出以下要求：二维滑轨运动平面垂直于三轴转台地基平面，并且平行于三轴转台参考坐标系YZ平面；导引头第二安装工装需保证探测器光学组件的焦点与三轴转台回转中心一致，且导引头纵轴与三轴转台内框轴线重合；目标模拟器第一安装工装需保证目标模拟器轴线通过二维滑轨中心(零位)；

再建立参考发射坐标系，(为了保证制导段视线角变化范围在导引头姿态变化范围之内，)在姿态变化范围内选取合适角度(一般取中间值)设置三轴转台预置角度，并根据此预置角度建立发射坐标系，(为了保证末段的姿态与目标视线能够对应，)发射坐标系相对转台参考坐标系进行偏置，设俯仰偏置角为φ₀，方位偏置角为ψ₀，将转台坐标系绕俯仰轴旋转φ₀，然后绕方位轴旋转ψ₀，最后得到发射坐标系。

具体地，所述目标模拟器为点光源。

基于所述的红外成像制导飞行器半实物仿真系统的仿真方法，包括如下步骤：

S1、配置仿真系统的二维滑轨、三轴转台、目标模拟器和导引头的位置，先得到转台参考坐标系，并对其相对位置进行测量，记录测量值；

S2、参考发射坐标系相对转台参考坐标系进行偏置，设俯仰偏置角为φ₀，方位偏置角为ψ₀，将转台坐标系绕俯仰轴即Z轴旋转φ₀，然后绕方位轴即Y轴旋转ψ₀，最后得到发射坐标系；

S3、求解实际转台姿态控制指令

转台参考坐标系到发射坐标系的转换矩阵为：

设飞行器弹体坐标系相对发射坐标系的俯仰、偏航、滚动姿态角分别为φ、ψ、γ，则可以得到弹体坐标系相对发射坐标系的转换矩阵为：

根据式1、2，可以得到弹体相对转台参考坐标系的姿态转换矩阵：

T_ck2dt＝T_fs2dtT_ck2fs (3)

设弹体坐标系相对转台参考坐标系的俯仰、偏航、滚动角分别为ψ_ck、γ_ck，根据式3可以得到：

根据上述求解得到的ψ_ck、γ_ck，通过转台控制接口发送至转台，实现对转台俯仰角、偏航角、滚动角的实时控制；

S4、获取滑轨位置控制指令

设在弹道某时刻，弹目视线高低角为η，视线方位角为s，转台中心到二维滑轨中心点的距离为L，则弹目连线矢量在发射坐标系下表示为：

将弹目连线矢量从发射坐标系转换至转台参考坐标系，具体如下：

设测量得到的滑轨中心在参考坐标系下位置为[X_hg0,Y_hg0,Z_hg0]，转台中心至二维滑轨运动平面的距离为L_a，滑轨负载(目标模拟器)相对滑轨中心的位置为[y,z]，滑轨原点在参考坐标系下位置矢量为[L_a,Y_hg0,Z_hg0]，根据滑轨与转台的安装位置和目标模拟器的运动位置，计算得到弹目连线在参考坐标系下的矢量为：

则根据式6、7可得到：

式中，Xm_ck、Ym_ck、Zm_ck为弹目连线矢量的归一化向量分别在参考坐标系X、Y、Z轴上的分量，根据上式，可解算出滑轨位置指令y、z坐标值以及目标模拟器到转台中心的距离L、表达式如下：

根据求解得到的y、z，通过滑轨控制接口实现对滑轨竖直、水平位置的控制；

S5、完成半实物仿真

根据不同的试验弹道，仿真前先将转台转至预置角位置，同时根据解算得到的二维滑轨指令，控制滑轨移动至初始位置，待转台及滑轨均准备完毕后，开始仿真，通过弹体六自由度模型解算得到弹体姿态以及视线角位置，根据式4、9求解得到的转台姿态指令以及滑轨指令，实时控制转台及滑轨运行，当模型判断满足仿真结束条件(飞行器落地即结束)后，结束半实物仿真试验，实现对飞行器制导、稳定系统的验证。

本发明提供的一种红外成像制导飞行器半实物仿真系统及方法，通过二维滑轨加三轴转台替代五轴转台(或三轴转台加两轴转台)实现半实物仿真，不会对系统的稳定性造成影响，由于滑轨可移动性较强，方法实施相对较为简单，又能节约经费，可实施性与可操作性强，同时能够满足正常的半实物仿真需求，因此相对于传统的系统和方法更具优势。

附图说明

图1是本发明红外成像制导飞行器半实物仿真系统现场布置图；

图2是本发明红外成像制导飞行器半实物仿真方法流程图。

其中，1-二维滑轨，1a-竖直轨道，1b-水平轨道，11-二维滑轨运动平面，12-二维滑轨中心其坐标为[X_hg0,Y_hg0,Z_hg0]，2-三轴转台，21-内框轴线(X轴，也是导引头纵轴)，22-原点O，23-地基平面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明红外成像制导飞行器半实物仿真系统现场布置图，包括设置有第一安装面的二维滑轨、设置有第二安装面的三轴转台、设置有第一安装工装的目标模拟器和设置有第二安装工装的导引头，本实施例中目标模拟器即打击目标为点光源，其中所述目标模拟器通过第一安装工装安装于二维滑轨的第一安装面，所述导引头通过第二安装工装安装于三轴转台第二安装面，二维滑轨放置于转台的正前方。

第一安装面上安装目标模拟器，在图1的P点处，目标模拟器为红外发光源，第二安装面处安装导引头，第二安装面处位于图1中的O点；第一安装工装用于固定目标模拟器，与第一安装面配合，本实施例中第一安装工装为一可沿二维滑轨的竖直轨道滑动的滑块，竖直轨道可沿二维滑轨的水平轨道滑动，二维滑轨包括竖直轨道和水平轨道；第二安装工装上固定有导引头，与第二安装面配合，本实施例中第二安装工装为一打有孔的小圆板，用螺钉拧紧在第二安装面上，导引头用螺钉拧紧在第二安装工装上，二维滑轨放置于转台的正前方。

进一步地，所述二维滑轨、三轴转台、目标模拟器和导引头之间的相对位置满足仿真坐标系的要求，所述仿真坐标系包括转台参考坐标系、参考发射坐标系，所述二维滑轨包括二维滑轨运动平面，所述三轴转台包括地基平面、内框轴线，所述导引头包括纵轴、探测器光学组件，

首先建立转台参考坐标系，所述参考坐标系以三轴转台回转中心为原点O，X轴指向三轴转台正前方，Y轴垂直于三轴转台第二安装面向上，Z轴与X、Y轴成右手系；然后，就二维滑轨中心(零位)相对三轴转台回转中心的位置进行测量，同时对二维滑轨、导引头第二安装工装和目标模拟器第一安装工装提出以下要求：二维滑轨运动平面垂直于三轴转台地基平面，并且平行于三轴转台参考坐标系YZ平面；导引头第二安装工装需保证探测器光学组件的焦点与三轴转台回转中心一致，且导引头纵轴与三轴转台内框轴线重合；目标模拟器第一安装工装需保证目标模拟器轴线通过二维滑轨中心(零位)；

再建立参考发射坐标系，为了保证制导段视线角变化范围在导引头姿态变化范围之内，在姿态变化范围内选取合适角度(一般取中间值)设置三轴转台预置角度，并根据此预置角度建立发射坐标系：为了保证末段的姿态与目标视线能够对应即保证制导段视线角变化范围在导引头姿态变化范围之内，发射坐标系相对转台参考坐标系进行偏置，设俯仰偏置角为φ₀，方位偏置角为ψ₀，将转台坐标系绕俯仰轴旋转φ₀，然后绕方位轴旋转ψ₀，最后得到发射坐标系。

本发明还提供了基于红外成像制导飞行器半实物仿真系统的真仿方法，包括如下步骤：

S1、配置仿真系统的二维滑轨、三轴转台、目标模拟器和导引头的位置，先得到转台参考坐标系，并对其相对位置进行测量，测量的值包括滑轨中心在参考坐标系下位置为[X_hg0,Y_hg0,Z_hg0]，转台中心至二维滑轨运动平面的距离为La，记录下测量值；

S2、参考发射坐标系相对转台参考坐标系进行偏置，设俯仰偏置角为φ₀，方位偏置角为ψ₀，将转台坐标系绕俯仰轴(Z轴)旋转φ₀，然后绕方位轴(Y轴)旋转ψ₀，最后得到发射坐标系；

S3、求解实际转台姿态控制指令

转台参考坐标系到发射坐标系的转换矩阵为：

设飞行器弹体坐标系相对发射坐标系的俯仰、偏航、滚动姿态角分别为φ、ψ、γ，则可以得到弹体坐标系相对发射坐标系的转换矩阵为：

根据式1、2，可以得到弹体相对转台参考坐标系的姿态转换矩阵：

T_ck2dt＝T_fs2dtT_ck2fs (3)

设弹体坐标系相对转台参考坐标系的俯仰、偏航、滚动角分别为ψ_ck、γ_ck，根据式3可以得到：

根据上述求解得到的ψ_ck、γ_ck，通过转台控制接口发送至转台，实现对转台俯仰角、偏航角、滚动角的实时控制；

S4、获取滑轨位置控制指令

设在弹道某时刻，弹目视线高低角为η，视线方位角为s，转台中心到二维滑轨中心点的距离为L，则弹目连线矢量在发射坐标系下表示为：

将弹目连线矢量从发射坐标系转换至转台参考坐标系，具体如下：

设测量得到的滑轨中心在参考坐标系下位置为[X_hg0,Y_hg0,Z_hg0]，转台中心至滑轨的距离为L_a，滑轨负载(目标模拟器)相对滑轨中心的位置为[y,z]，滑轨原点在参考坐标系下位置矢量为[L_a,Y_hg0,Z_hg0]，根据滑轨与转台的安装位置和目标模拟器的运动位置，计算得到弹目连线在参考坐标系下的矢量为：

则根据式6、7可得到：

式中，Xm_ck、Ym_ck、Zm_ck为弹目连线矢量的归一化向量分别在参考坐标系X、Y、Z轴上的分量，根据上式，可解算出滑轨位置指令y、z坐标值以及目标模拟器到转台中心的距离L、表达式如下：

根据求解得到的y、z，通过滑轨控制接口实现对滑轨竖直、水平位置的控制；

S5、完成半实物仿真

根据不同的试验弹道，仿真前先将转台转至预置角位置，本实施例中预置角为25°，同时根据解算得到的二维滑轨指令，控制滑轨移动至初始位置，待转台及滑轨均准备完毕后，开始仿真，通过弹体六自由度模型解算得到弹体姿态以及视线角位置，根据式4、9求解得到的转台姿态指令以及滑轨指令，实时控制转台及滑轨运行，当模型判断满足仿真结束条件(飞行器落地即为结束)后，结束半实物仿真试验，实现对飞行器制导、稳定系统的验证。

Claims (4)

1.一种红外成像制导飞行器半实物仿真系统，其特征在于包括设置有第一安装面的二维滑轨、设置有第二安装面的三轴转台、设置有第一安装工装的目标模拟器和设置有第二安装工装的导引头，其中所述目标模拟器通过第一安装工装安装于二维滑轨的第一安装面，所述导引头通过第二安装工装安装于三轴转台第二安装面，二维滑轨放置于转台的正前方。

2.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于所述二维滑轨、三轴转台、目标模拟器和导引头之间的相对位置满足仿真坐标系的要求，所述仿真坐标系包括转台参考坐标系、参考发射坐标系，所述二维滑轨包括运动平面，所述三轴转台包括地基平面、内框轴线，所述导引头包括纵轴、探测器光学组件，

首先建立转台参考坐标系，所述参考坐标系以三轴转台回转中心为原点，X轴指向三轴转台正前方，Y轴垂直于三轴转台第二安装面向上，Z轴与X、Y轴成右手系；同时对二维滑轨、导引头第二安装工装和目标模拟器第一安装工装提出以下要求：二维滑轨运动平面垂直于三轴转台地基平面，并且平行于三轴转台参考坐标系YZ平面；导引头第二安装工装需保证探测器光学组件的焦点与三轴转台回转中心一致，且导引头纵轴与三轴转台内框轴线重合；目标模拟器第一安装工装需保证目标模拟器轴线通过二维滑轨中心；

再建立参考发射坐标系，在姿态变化范围内选取合适角度设置三轴转台预置角度，并根据此预置角度建立发射坐标系，发射坐标系相对转台参考坐标系进行偏置，设俯仰偏置角为φ₀，方位偏置角为ψ₀，将转台坐标系绕俯仰轴即Z轴旋转φ₀，然后绕方位轴即Y轴旋转ψ₀，最后得到发射坐标系。

3.根据权利要求2所述的仿真系统，其特征在于所述目标模拟器为点光源。

4.基于权利要求1-3所述的仿真系统的红外成像制导飞行器半实物仿真方法，包括如下步骤：

S1、配置仿真系统的二维滑轨、三轴转台、目标模拟器和导引头的位置，先得到转台参考坐标系，并对其相对位置进行测量，记录测量值；

S2、参考发射坐标系相对转台参考坐标系进行偏置，设俯仰偏置角为φ₀，方位偏置角为ψ₀，将转台坐标系绕俯仰轴旋转φ₀，然后绕方位轴旋转ψ₀，最后得到发射坐标系；

S3、求解实际转台姿态控制指令

转台参考坐标系到发射坐标系的转换矩阵为：

设飞行器弹体坐标系相对发射坐标系的俯仰、偏航、滚动姿态角分别为φ、ψ、γ，则可以得到弹体坐标系相对发射坐标系的转换矩阵为：

根据式1、2，可以得到弹体相对转台参考坐标系的姿态转换矩阵：

T_ck2dt＝T_fs2dtT_ck2fs (3)

设弹体坐标系相对转台参考坐标系的俯仰、偏航、滚动角分别为ψ_ck、γ_ck，根据式3可以得到：

根据上述求解得到的ψ_ck、γ_ck，通过转台控制接口发送至转台，实现对转台俯仰角、偏航角、滚动角的实时控制；

S4、获取滑轨位置控制指令

设在弹道某时刻，弹目视线高低角为η，视线方位角为s，转台中心到二维滑轨中心点的距离为L，则弹目连线矢量在发射坐标系下表示为：

将弹目连线矢量从发射坐标系转换至转台参考坐标系，具体如下：

设测量得到的滑轨中心在参考坐标系下位置为[X_hg0,Y_hg0,Z_hg0]，转台中心至二维滑轨运动平面的距离为L_a，滑轨负载(目标模拟器)相对滑轨中心的位置为[y,z]，滑轨原点在参考坐标系下位置矢量为[L_a,Y_hg0,Z_hg0]，根据滑轨与转台的安装位置和目标模拟器的运动位置，计算得到弹目连线在参考坐标系下的矢量为：

则根据式6、7可得到：

式中，Xm_ck、Ym_ck、Zm_ck为弹目连线矢量的归一化向量分别在参考坐标系X、Y、Z轴上的分量，根据上式，可解算出滑轨位置指令y、z坐标值以及目标模拟器到转台中心的距离L、表达式如下：

根据求解得到的y、z，通过滑轨控制接口实现对滑轨竖直、水平位置的控制；

S5、完成半实物仿真

根据不同的试验弹道，仿真前先将转台转至预置角位置，同时根据解算得到的二维滑轨指令，控制滑轨移动至初始位置，待转台及滑轨均准备完毕后，开始仿真，通过弹体六自由度模型解算得到弹体姿态以及视线角位置，根据式4、9求解得到的转台姿态指令以及滑轨指令，实时控制转台及滑轨运行，当模型判断满足仿真结束条件后，结束半实物仿真试验，实现对飞行器制导、稳定系统的验证。