CN202432924U - 激光末制导炮弹研制用的半实物仿真系统 - Google Patents
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Abstract
一种激光末制导炮弹研制用室内外半实物仿真系统，包括：火箭橇试验平台，发射装载有靶标的火箭橇，并实时测量火箭橇的速度和位置信息；目标模拟装置，利用激光照射靶标，以使得激光末制导炮弹的导引头能够通过接收来自靶标的激光进行目标跟踪；姿态模拟装置，包括能够装载导引头的三轴转台，用于模拟弹体的姿态运动；以及仿真平台，根据预定的仿真数学模型对火箭橇速度和位置信息以及导引头生成信号进行分析处理，以得到与弹体姿态变化及弹目相对运动有关的信息并相应控制三轴转台的转动。其中，火箭橇试验平台位于室外，并且火箭橇试验平台与仿真平台这两者之间通过电台进行数据传输并实现时间同步。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光末制导炮弹的研制，特别公开了一种用于研制激光末制导炮弹的室内外结合的半实物仿真系统。
背景技术
半实物仿真是指在仿真实验系统的仿真回路中接入所研究系统的部分实物的仿真。“半实物仿真”这一称谓是国内仿真界对这一类系统仿真方法和相应的仿真系统的一种通俗而习惯的称呼，其准确的含义是指“仿真回路中含有硬件(Hardware In theLoop Simulation，HILS)”。
制导武器的研制和发展加快了常规武器制导化的进程，但制导武器由于弹体上普遍装有导引头、自动驾驶仪、舵机等制导精密部件，价格较普通常规武器相比要昂贵许多，如一发“红土地”末制导炮弹的价格约25万元人民币，而一发152mm制式榴弹的价格只有几千元。因此，如果在制导武器系统研制过程中仍然采用以实弹射击方式进行飞行试验，势必会带来高昂的试验经费。采用半实物仿真试验，能使大量制导部件工作在较为真实的环境中，从而对其性能进行评估以改进其质量，这能复现飞行故障、节省研制成本、缩短研制周期，达到事半功倍的作用。
半实物仿真和数学仿真都是制导系统研制工作的强有力的手段，具有提高制导系统研制质量、缩短研制周期和节省研制费用的优点。但同其它类型的仿真方法相比，半实物仿真具有实现更高真实度的可能性，是仿真技术中置信水平最高的一种仿真方法。半实物仿真具有以下特点：
其一，可以避免难以准确建模的困难，具言之，有的制导系统很难建立准确的数学模型，例如在激光半主动制导控制系统中，准确地建立从目标运动至导引头的输出这部分的数学模型非常困难，通过在半实物仿真中以实物直接参与这部分，则完全可以避免该困难；
其二，可以进一步校准系统的数学模型；
其三，可以更直接、有效地检验制导系统中各设备的功能与性能。
上述半实物仿真的独特作用是数学仿真难以相比的，是提高制导系统设计的可靠性和研制质量的必要手段。
在导弹、运载火箭、航天器等制导武器的研制、试验中大量采用了半实物仿真技术，其核心就是通过制导控制系统的半实物仿真手段，为制导控制部件模拟制导武器所处的物理和空间环境，考核制导控制部件和系统的性能和制导精度，为武器系统的性能评估奠定基础。
目前，几乎都采用室内仿真系统来完成制导控制系统的大部分功能测试与仿真。然而，随着战场环境的复杂性越来越高，越来越希望导弹能够在复杂背景环境下正常使用，因此对开放环境的室内外(火箭撬)结合的半实物仿真系统提出了需求。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种室内外结合的半实物仿真系统，以满足模拟仿真日益复杂的作战环境之需。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种可用于研制激光末制导炮弹的半实物仿真系统，其包括：火箭橇试验平台，用于发射装载有靶标的火箭橇，并实时测量所述火箭橇的速度和位置信息；目标模拟装置，其利用激光照射所述靶标，以使得所述激光末制导炮弹的导引头能够通过接收来自所述靶标的激光进行目标跟踪；姿态模拟装置，其包括能够装载所述导引头的三轴转台，用于模拟弹体的姿态运动；以及仿真平台，用于接收从所述火箭橇试验平台发送来的火箭橇的速度和位置信息，采集由所述导引头生成的信号，并根据预定的仿真数学模型对所述火箭橇的速度和位置信息以及所述导引头生成的信号进行分析处理，以得到与弹体姿态变化及弹目相对运动有关的信息并相应控制所述三轴转台的转动。其中，所述火箭橇试验平台位于室外，所述仿真平台可优选位于室内，并且所述火箭橇试验平台与所述仿真平台这两者之间通过电台进行数据传输并实现时间同步。
通过利用位于室外的火箭橇试验平台模拟复杂的实际作战环境，根据本实用新型的室内外结合的半实物仿真系统不仅有效提高了仿真精确度，而且还大大降低了对导引头等制导控制部件的数学建模难度。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本实用新型的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本实用新型的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本实用新型的原理。
图1是示出根据本实用新型典型实施例的采用火箭橇外场设备进行导引头测试的半实物仿真系统的架构示意图；
图2是示出根据本实用新型典型实施例的半实物仿真系统中仿真平台的计算机控制桌面ControlDesk主窗口的示意图；
图3是示出根据本实用新型典型实施例的半实物仿真系统中的各组成部分之间的通讯连接关系图；
图4是示出根据本实用新型典型实施例的半实物仿真系统中仿真平台与火箭橇试验平台之间经由电台进行通讯的数据传输方式的示意图；
图5是示出根据本实用新型典型实施例的半实物仿真系统中的各组成部分的空间位置关系图；
图6是示出根据本实用新型典型实施例的半实物仿真系统的工作原理图；以及
图7和图8是示出根据本实用新型典型实施例的半实物仿真系统的试验结果示例的图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本实用新型的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本实用新型的半实物仿真系统的技术方案为：将导引头安装在三轴转台上，导引头面向外场的火箭橇跑道，在火箭橇上放置例如激光漫反射板的靶标，由(运行速度可控或不可控的)各种动力装置带动靶标移动，用激光照射器照射靶标，导引头接收靶标反射的激光进行火箭撬靶标的跟踪。其中，火箭橇动力装置分电动可控和不可控两种，随着火箭橇运动速度的不同，将对导引头产生相应的视线角运动，从而能够测试导引头对真实目标的跟踪能力。仿真平台根据导引头输出的±Uy、±Uz信号以及OK信号进行弹体投影得到舵信号，经过弹体模型后得到导弹的姿态变化，从而能够模拟激光制导武器的整个末制导段的仿真。
一、系统组成
依据以上分析，如图1所示，根据本实用新型的半实物仿真系统主要包括目标模拟装置100、火箭橇试验平台200、姿态模拟装置300、仿真平台400。下面将详细介绍各个组成部分。
1、目标模拟装置
为了避免后向散射对导引头330的影响，目标模拟装置100通常采用激光照射目标，故又称为激光目标模拟器，并且主要包括激光照射器110和漫反射靶板120。
激光能量的传输过程是激光照射器110产生一个随激光目标指示器、气象条件以及目标反射特性变化而变化的激光脉冲。该激光脉冲经漫反射靶板120反射后，为激光导引头330提供一个与实际作战环境相接近的回波信号。激光目标模拟器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，就是实现以下三个功能：
1、模拟导引头330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330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、模拟实战环境下光斑的大小，即在半实物仿真中为导引头330提供的光斑的大小应与实战环境中导引头330“看到”的光斑的大小一致；
3、模拟实战环境中光斑的运动，即在半实物仿真中导引头330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。
激光目标模拟器中的激光照射器110主要用于产生额定波长、额定脉宽和特定编码的目标激光，并在控制机和步进电机控制器的控制下实时控制激光能量和光斑大小的设定，并根据设计可在一定范围内变化，用来模拟导引头330入瞳处的激光目标特性、能量变化特性和光斑大小变化特性等。漫反射靶板120主要用于接收激光照射并产生可精确标定的漫反射激光。
优选地，激光目标模拟器中配备有俯仰和方位的简易控制机构，以方便操作。此外，漫反射靶板120优选地以铝合金为衬底且外套有陶瓷制漫反射物质，从而适合用于高速火箭橇橇载试验。
在目标模拟装置100中，所采用的激光目标模拟器(具体为激光照射器110)主要包括半导体脉冲激光器、驱动电源和控制器等。其中，半导体脉冲激光器的作用是产生激光，驱动电源是驱动激光目标模拟器内机械部件的运动来实现对激光的控制。而控制器可具体包括激光控制器、能量控制单元、光斑控制单元、系统控制器这4部分，用于对激光能量的大小和光斑的大小进行控制。
优选地，激光目标模拟器还可通过控制计算机和相关软件等与操作人员进行互动，从而使得操作人员可以方便地对激光目标模拟器进行参数设置、输入指令等操作。
激光目标模拟器的主要性能参数包括：
◆不间断工作时间，可根据需要设定，一般为10秒～10分；
◆激光编码范围，可根据需要设定，一般不少于20组；
◆能量范围，例如小于20mw；
◆衰减倍数，例如为200；
◆激光发光波长，例如1.064μm；以及
◆光斑直径，可根据需要设定，例如大于1mm。
2、火箭橇试验平台
火箭橇试验平台200涉及如下几个方面：火箭橇的设计；火箭橇位置与速度的实时测量，以提供弹目视线解算和视线角实时复现所需的与火箭橇的位置和速度有关的信息；以及火箭橇试验平台与整个半实物仿真系统的时间统一，以实现火箭橇试验平台与半实物仿真系统中的其它组成构件之间的时间同步。
在根据本实用新型的半实物仿真系统的优选实施例中，将火箭橇的总体设计方案确定为：火箭橇的运动过程分加速段、续航段、滑行段及制动段，采用固体火箭发动机，采用反向火箭运动机制动，采用包括地面触发及电子延时发火机构的双重制动点火保险。
其中，通常期望火箭橇被配置为能够降低质心高度、左右对称并减小力矩作用，因此优选采用微推偏喷管技术等使火箭橇运动平稳；此外，为了使得整体结构简单且易现场操作，优选采用简易导轨结构等。
对于时间统一的问题，可以在半实物仿真系统中设计专门的时间统一机构，也可以在火箭橇试验平台现有的时间统一机构上进行改造，或者通过使用电台与半实物仿真系统中的其它组成部分进行通讯，从而基于电台的数据传输来实现整个系统的时间同步。
3、姿态模拟装置
姿态模拟装置300用于根据仿真平台400所解算出的导弹在空中的姿态角信号来模拟导弹在空中的姿态，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，达到仿真的目的。
在根据本实用新型的一优选实施例中，采用三轴飞行模拟转台作为姿态模拟装置300。其中，整个三轴转台主要包括机械台体310和控制柜320这两部分，并且机械台体310和控制柜320之间通常经由电缆相互连接。
机械台体310作为整个三轴转台的最终执行机构，主要由内框、外框、中框、底座构成。其中，外框为半框式，用来模拟导弹的航向；中框也是半框式，用来模拟导弹的俯仰运动；以及内框为圆形负载台，用来模拟导弹的滚转运动。
优选地，作为负载的导引头330通过负载安装板与内框连接，负载安装面与内框的基准面平行，负载安装板的另一面安装调节用配重。为了便于安装，内框架上优选地加工出负载安装基准面，用来连接负载的安装工装。
控制柜320作为整个三轴转台的控制部分，其中内置有用以运行转台控制软件的控制计算机，从而能够进行运动参数设置、控制并监测转台的工作状态、采集工作状态数据和运动参数数据以及实时监测转台的设备安全状况等。
优选地，控制柜320采用上、下位机结构形式。具言之，控制柜320按照模块化设计原则，采用两台工控机分别作为转台伺服系统的监控计算机(上位机)和主控计算机(下位机)的结构形式，并且下位机与上位机之间通过高速串行接口进行实时通讯。其中，上位机321主要功能包括：为操作人员提供友好的人机交互界面；实时监视机械台体310的速率、位置、加速度等运行状态；在异常情况下对整个三轴转台的安全提供有效的保护措施并发出声、光报警信号；也可根据需要增加数据处理、打印接口、远程控制及其它功能。下位机的主要功能包括：响应上位机发出的各种指令、定时采样机械台体310上例如光学编码器等的测角元件的角度编码值并将该值发送给上位机、根据控制规律计算实时控制量、通过数模转换板卡向机械台体310的各轴中的功放单元发出控制信号。
进一步优选地，针对三轴转台机械台体310设置了三种工作状态，即位置状态、速率状态以及仿真状态。其中，在前两种状态(又称为本地模式)下，通过内置于控制柜320中的控制计算机(可具体为上述下位机)来控制机械台体310的运动；以及在仿真状态下，机械台体310可以根据来自外部仿真平台400的信号进行运动，从而实现模拟姿态角的仿真功能。
4、仿真平台
仿真平台400主要包括仿真机410和主控机420两个部分。其中，仿真机410主要用于仿真模型开发、仿真软件实时运行以及仿真信息实时交换，主控机420主要用于与操作人员进行互动，并且仿真机410与主控机420之间使用网线等进行通讯连接。
在仿真机410的设计中，首先要考虑仿真机410的运算能力，以满足非实时纯数学仿真中的基本运算要求以及半实物仿真中对仿真模型的实时解算要求和对多路A/D、D/A、DI、DO、串口通道的支持；其次要考虑试验数据的实时传输能力，以满足半实物仿真的实时性要求和对多路A/D、D/A、DI、DO、串口通道的支持。
根据本实用新型的一具体实施例，仿真机410包括可编程处理部、模数(AD)采集部、数模(DA)转换部和串行通信部，其中：
可编程处理部是仿真机410的核心部分，其中加载有预先编写好的程序，以允许执行半实物仿真过程中的所有数学计算。优选地，可编程处理部可以采用DS1005处理器板，具体采用了PowerPC750 GX，1GHz处理器。
AD采集部用于采集从三轴台体传回的模拟数据，并将其转换成数字形式。优选地，AD采集部可以采用DS2003 AD采集板，具体采用了32通道16位A/D采集方式。
DA转换部用于把通过AD采集部采集到的数字量转换成模拟量，从而能够进行更直观的显示。优选地，DA转换部可以采用DS2103 DA转换板，具体采用了32通道D/A、14位分辨率的DA转换板。
串行通信部用于提供仿真机410与三轴转台(具体为控制柜420)之间的串口通信连接。优选地，串行通信部采用总的串口通道数为4个的DS4201S串行通信板，其可以提供RS232、RS422、RS485三种可定制的串口类型。
此外，仿真机410还优选地配置有例如CP2003/CP2103等分别对应于AD采集部(具体为DS2003板卡)和DA转换部(具体为DS2103板卡)的接口面板，用于方便进行信号的采集观测。
根据本实用新型的一具体实施例，采用了德国dSPACE仿真机，其基于MATLAB/Simulink的控制系统在实时环境下的开发及测试工作平台，实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接。dSPACE实时仿真机主要由两大部分组成，一是硬件系统，二是软件环境，其中：硬件系统的主要特点是具有高速计算能力，包括处理器和I/O接口等；而软件环境可以方便地实现代码生成/下载和试验/调试等工作。
此外，dSPACE还提供了相关的测试软件即ControlDesk综合实验环境。ControlDesk是dSPACE开发的新一代实验工具软件，可用来提供对实验过程的综合管理用户界面。虽然仿真模型的建立使用的是MATLAB/Simulink，但在模型下载到实时硬件中之后，余下的工作主要是由ControlDesk来完成，即ControlDesk可实现的功能至少包括对实时硬件的可视化管理、用户虚拟仪表的建立、变量的可视化管理、参数的可视化管理和试验过程的自动化。ControlDesk主窗口可如图2所示，主要包括布局窗口41D1、导航器41D2、工作区窗口41D3、仪表面板41D4、仪表41D5、工具窗口41D6、文件选择器41D7、变量管理器41D8和仪表选择器41D9。
主控机420作为提供给操作人员的操作平台，主要包括试验数据实时采集与记录部、实时试验态势显示部、试验现场电视监视部、试验控制台、仿真试验数据库和试验调度指挥部等，其中：
试验数据实时采集与记录部主要用于试验前对参试部件进行检测和试验时实时记录试验数据。
实时试验态势显示部一方面完成设备工作状态实时显示、系统仿真数据曲线显示；另一方面还完成系统仿真图像生成显示，实现导弹、目标、背景和声音的三维图像生成，使得数据直观、形象、明了，并且每次试验完成后可实现仿真过程回放。
试验现场电视监视部是试验组织指挥人员了解试验各工作人员工作情况、设备工作状态的最直接的手段，可根据工作需要进行配置。
试验控制台是仿真试验的控制中心。
仿真试验数据库用于收集、管理仿真试验数据。
试验调度指挥部用于为试验人员提供话音通信联络，可采用20门程控调度。
根据本实用新型的一具体实施例，在主控机420中通过Matlab/Simulink图形界面开发软件建立弹体运动学和动力学模型、目标运动学模型以及弹目相对运动学模型，描述控制系统的C代码可以由Simulink方框图自动生成并下载到dSPACE实时仿真机410的硬件中。
二、通讯连接关系
下面将参考图3详细介绍根据本实用新型一具体实施例的半实物仿真系统中的上述各组成部分之间的通讯连接关系。
首先，如图3所示，主控机420与仿真机410之间使用网线相连接，并优选地基于TCP/IP协议进行通信。TCP/IP协议即传输控制协议/网间协议，它覆盖了OSI网络结构七层模型中的六层，并支持从交换(第二层)诸如多协议标记交换，到应用程序诸如邮件服务方面的功能。TCP/IP的核心功能是寻址和路由选择(网络层的IP/IPV6)以及传输控制(传输层的TCP、UDP)。
其次，仿真机410与三轴转台的控制柜320通过DS4201S串行接口连接，具体可采用RS422串口方式，从而完成仿真机-转台控制柜-转台台体的通信功能。RS422串口是一种单机发送、多机接收的平衡传输规范(全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”)，又被命名为TIA/EIA-422-A标准。RS422接口标准定义了接口电路的特性，允许在相同传输线上连接包括一个主设备(Master)和至少一个从设备(Salve)的多个接收节点，从设备之间不能通信，也即RS422接口支持点对多的双向通信。在接收端输入阻抗为4k的情况下，发送端最大负载能力是10×4k+100Ω(终接电阻)。RS422接口例如四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各通信方之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一对单独的双绞线)来实现。此外，RS422接口的最大传输距离约为4000英尺(约1219米)，最大传输速率约为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。
RS422接口的具体性能指标包括：
◆数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输；
◆最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s；
◆在TxD和RxD上，+2V～+6V表示逻辑1，-6V～-2V表示逻辑0；
◆支持例如10节点的多节点；
◆支持点对多主从方式；以及
◆支持全双工。
此外，导引头330接收到反射的激光信号后，将生成的±Uy、±Uz以及OK信号通过三轴转台机械台体310上的导电滑环输出。仿真机410通过AD采集部(可具体为DS2003 AD采集板)进行导电滑环输出的A/D采集，从而将模拟信号转换为数字信号，并将所得到的数字信号传输到主控机420，从而使得所述数字信号能够进入到主控机420的仿真模型中以供实时处理和模型更新之用。
其中，三轴转台机械台体310上的导电滑环用于传输导引头330的模拟信号，其主要性能指标包括：
◆40环，4A，导电环环道接触电阻＜0.2Ω；
◆电源8环，8A；
◆导电环环道绝缘电阻≥200MΩ；
◆导电环环道接触电阻变化量＜0.03Ω；
◆导电环使用寿命：1×10-7转(保证滑环更换方便)。
最后，经由电台来实现火箭撬试验平台200与仿真平台400(具体为仿真机410)之间的时间统一控制与实时通讯。其中，基于电台进行的数据传输方式可如图4所示。
具言之，利用电台来完成室内仿真平台400和室外火箭橇试验平台200之间的时间统一的大致流程为：当火箭撬试验平台200启动发射火箭撬时，激光照射器110开始照射撬载漫反射靶板120，同时通过电台将试验开始指令发送给位于室内的仿真机410，由此完成室内仿真平台400和室外火箭橇试验平台200之间的同步进行。
优选地，无线电台之间的有效传输距离约为10公里，并且各个无线电台通过例如RS422的串口与例如激光照射器、仿真机等设备连接，数据传输波特率为961200bps。
三、工作原理
图5是根据本实用新型典型实施例的半实物仿真系统的总体布局图，其示出了整个系统中各组成部分之间的空间位置关系。如图5所示，整个半实物仿真系统包括室内试验场部分和室外试验场部分，并通过室内外相结合来有效、准确地仿真激光末制导武器的末制导阶段。
通过以上“系统组成”和“通讯连接关系”两部分的介绍可知，主控机420作为整个半实物仿真系统中面向操作人员的室内操作平台，主要用于整个系统模型的建立及验证，并对整个仿真过程进行实时监测，对试验数据进行实时记录和存储。主控机420使用网线与仿真机410相连，并基于TCP/IP协议进行数据通讯，用于模型的下载和试验数据的传输。
火箭撬试验平台200作为半实物仿真系统的室外部分，主要用于实时监控目标模拟装置100的速度和位置信息，并将所监控到的数据通过电台提供给仿真机410，以使得该数据最终进入主控机420的模型中进行解算。
目标模拟装置100主要用于提供激光照射器110经漫反射靶板120反射的激光信号。该激光信号由三轴转台机械台体310上的导引头330捕获接收，并使得导引头330将所生成的信号传输至仿真机410和主控机420。
由此可见，仿真机410是整个半实物仿真系统的各个组成部分之间建立联系的纽带。换言之，如图6所示，火箭橇试验平台200、目标模拟装置100以及姿态模拟装置300经由仿真机410形成一个半实物仿真的闭环，由此实现激光制导武器的整个末制导段的模拟仿真。
具体而言，仿真机410通过RS422串口与三轴转台控制柜320连接，三轴转台控制柜320通过专用电缆与三轴转台机械台体310连接，由此使得仿真机410可通过此通讯路径向三轴转台机械台体310发送指令，从而控制三轴转台机械台体310的运行；与此同时，仿真机410通过A/D转换部采集三轴转台机械台体310的各轴的输出响应以及导引头330的输出信号，并将所采集到的数据传输至主控机420以进行实时监控和实时处理。
另一方面，仿真机410通过电台与火箭撬试验平台200进行数据交换。火箭撬试验平台200通过电台向仿真机410提供火箭撬的实时速度和位置信息，并由仿真机410传输至主控机420，由此使得火箭橇的实时速度和位置信息能够进入主控机420中的数学模型，以进行与弹目视线的解算和视线角的实时复现有关的实时计算处理。
四、工作流程
利用根据本实用新型典型实施例的半实物仿真系统进行激光制导武器末制导段的模拟仿真的整个过程大致包括建立仿真模型、搭建半实物仿真系统、转台初始化及测试、进行室内外结合半实物仿真试验以及进行试验后处理五个阶段，下面分别详细介绍。
1、建立仿真模型
通过C语言和Matlab/Simulink等软件建立弹体运动学和动力学模型、目标运动学模型以及弹目相对运动学模型，同时根据整个系统中各组成部分之间的通讯连接关系建立三轴转台的运动控制模型以及数据通讯模块、数据分析模块、数据显示模块，人机交互模块和数据存储模块。
2、搭建半实物仿真系统
半实物仿真系统包括室内飞行模拟测试子系统和室外火箭撬试验平台子系统。
其中，飞行模拟测试子系统的硬件部分是指在飞行模拟测试中所需的硬件设备(例如三轴飞行转台、仿真机、主控机、参试制导控制部件、数据显示、存储装置等)以及所述硬件设备之间的连接(例如串口通信、TCP/IP协议、电缆、转台台体上的滑环以及A/D、D/A等I/O板卡)。相应地，飞行模拟测试子系统的软件部分主要包括数学模型以及各种仿真测试软件模块。综合以上硬件部分和软件部分，搭建整个飞行模拟测试子系统。
火箭撬试验平台子系统的硬件部分是指在火箭撬试验中所需的硬件设备(例如火箭撬轨道、火箭撬靶车、激光照射器、撬载漫反射靶板、相关参试控制部件、控制计算机等)和所述硬件设备之间的相互连接。相应地，火箭橇试验平台子系统的软件部分主要包括与火箭撬、激光照射器相关的控制软件模块。综合以上硬件部分和软件部分，搭建整个火箭橇试验平台子系统。
3、转台初始化及测试
对三轴飞行转台的控制柜加电，其中的上位机通过已有的转台控制软件给出指令，通过串口通信控制下位机对转台机械台体三框架进行初始化，包括使各框以低速归零以及设置各框的工作方式、软限位和软限速值等。
另一方面，可通过转台控制软件对转台机械台体进行静态和动态测试，以保证转台三个框架工作正常。在测试完成之后，通过上位机给出指令，使三轴转台到达其初始位置。
4、室内外结合半实物仿真试验
作为实际实施仿真的阶段，主要包括以下步骤：
a.将例如通过MATLAB建立的仿真数学模型例如经以太网(TCP/IP协议)下载到dSPACE仿真机；
b.位于室外的火箭撬试验平台启动发射火箭撬，激光照射器开始照射撬载漫反射靶板，与此同时通过电台把试验开始指令发送给位于室内的仿真机，开始仿真试验；
c.导引头开始跟踪室外撬载目标，接收反射回来的激光信号并生成±Uy、±Uz以及OK信号，这些信号通过三轴转台内框上的导电滑环传递给仿真机；与此同时，火箭撬试验平台中的火箭橇速度和位置实时监控部将火箭撬的速度和位置信息通过电台实时传递给仿真机；
d.仿真机通过A/D数据采集卡将信号输入仿真数学模型中，再引入大气环境模型以及各种干扰模型进行仿真计算，得到弹体姿态变化及弹目相对运动变化等信息，并将其转化为三轴转台三框转动的角度和角速度；
e.仿真机通过RS422串口与三轴飞行转台控制柜中的下位机进行通信，传递转台机械台体的内框、中框、外框各自的角度与角速度信号；
f.控制柜中的下位机将控制信号经过D/A转换后传递给针对转台机械台体的动力驱动装置，所述动力驱动装置通过三条电缆将控制信号传递给转台机械台体中的各框架，以控制转台机械台体中各框的转动，从而模拟弹体姿态运动；
g.放置在转台机械台体的内框上的导引头根据模拟弹体姿态变化，减小光轴与弹目线之间的角度误差，并且由此生成的信号经由导电滑环传递给仿真机，从而构成闭环仿真试验；以及
h.与此同时，仿真机通过RS422串口或光纤(TCP/IP协议)与数据显示装置、存储装置相连，将试验中导引头产生的相关信号经过数据转换模块、参数辨识模块以及数据显示模块进行处理后，实时传递给数据显示装置，通过数据显示装置、存储装置里装入的数据整合与分析模块以及数据显示(虚拟可视化)模块将得到的信号进行整理与可视化转换，将其显示于大屏幕数字液晶显示器上。
5、试验后处理
待试验结束后将试验得到的参数保存在数据存储装置内，将模拟飞行弹道中弹体运动参数、姿态参数、自动驾驶仪、导引头等制导控制部件工作性能参数等试验结果(例如，可参见图7和图8示出的部分实验结果示例)通过数据分析模块进行处理，并与理论值进行对比，将试验值与理论值的对比结果显示于液晶显示器上，显示制导控制部件的工作逻辑和控制时序，并对参试部件的工作参数与技术指标进行检验与评估。
需要声明的是，上述实用新型内容及具体实施方式仅旨在证明本实用新型所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本实用新型保护范围的限定。本领域技术人员在本实用新型的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本实用新型的保护范围以所附权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种用于研制激光末制导炮弹的室内外半实物仿真系统，其特征在于，包括：
火箭橇试验平台，用于发射装载有靶标的火箭橇，并实时测量所述火箭橇的速度和位置信息；
目标模拟装置，其利用激光照射所述靶标，以使得所述激光末制导炮弹的导引头能够通过接收来自所述靶标的激光进行目标跟踪；
姿态模拟装置，其包括能够装载所述导引头的三轴转台，用于模拟弹体的姿态运动；以及
仿真平台，用于接收从所述火箭橇试验平台发送来的火箭橇的速度和位置信息，采集由所述导引头生成的信号，并根据预定的仿真数学模型对所述火箭橇的速度和位置信息以及所述导引头生成的信号进行分析处理，以得到与弹体姿态变化及弹目相对运动有关的信息并相应控制所述三轴转台的转动，
其中，所述火箭橇试验平台位于室外，并且所述火箭橇试验平台与所述仿真平台这两者之间通过电台进行数据传输并实现时间同步。
2.根据权利要求1所述的半实物仿真系统，其特征在于，所述目标模拟装置包括：
激光照射器，用于产生随着实际作战环境以及目标反射特性变化而变化的激光脉冲；以及
漫反射靶板，其能够装载在所述火箭橇上作为所述靶标，用于反射所述激光照射器产生的激光脉冲，从而为所述导引头提供一个与实际作战环境相接近的回波信号。
3.根据权利要求2所述的半实物仿真系统，其特征在于，所述激光照射器包括：
半导体脉冲激光器，用于产生激光；
驱动电源，用于驱动所述半导体脉冲激光器内的机械部件的运动；以及
控制器，用于对由所述半导体脉冲激光器产生的激光的能量大小以及照射到所述漫反射靶板上的光斑的大小进行控制。
4.根据权利要求2所述的半实物仿真系统，其特征在于，所述漫反射靶板以铝合金为衬底且外套有陶瓷制漫反射物质。
5.根据权利要求1所述的半实物仿真系统，其特征在于，所述火箭橇试验平台通过采用微推偏喷管来使所述火箭橇运动平稳。
6.根据权利要求1所述的半实物仿真系统，其特征在于，
所述火箭橇的运动过程分加速段、续航段、滑行段及制动段，以及
所述火箭橇试验平台采用固体火箭发动机，采用反向火箭运动机制动，采用包括地面触发及电子延时发火机构的双重制动点火保险，并采用简易导轨结构。
7.根据权利要求1所述的半实物仿真系统，其特征在于，所述三轴转台包括：
台体，其上能够装载所述导引头，用于模拟弹体的俯仰、偏航、滚转三个通道的运动；以及
控制柜，其通过电缆与所述台体连接，用于实现对所述台体的上电、断电、伺服驱动、工作状态指示至少之一操作。
8.根据权利要求7所述的半实物仿真系统，其特征在于，对所述台体的控制分为本地控制和仿真控制两种模式，其中
在所述本地控制模式下，由所述控制柜来控制所述台体；以及
在所述仿真控制模式下，由所述仿真平台来控制所述台体。
9.根据权利要求8所述的半实物仿真系统，其特征在于，所述仿真平台包括：
仿真机，其用于通过电台接收所述火箭橇的位置和速度信息，通过模数采集卡采集由所述导引头生成的信号，将所接收到的信息和所采集到的信号输入所述仿真数学模型，然后引入大气环境模型和各种干扰模型进行仿真计算，以得到与弹体姿态变化及弹目相对运动有关的信息，并将所得到的信息转换为所述三轴转台中各框转动的角度和角速度；以及
主控机，其通过网线与所述仿真机相连接，用作能够为操作人员提供可视化的操作界面的控制终端，其中，所述控制终端用作试验数据实时采集与记录部、实时试验态势显示部、试验现场电视监视部、试验控制台、仿真试验数据库和试验调度指挥部至少之一。
10.根据权利要求9所述的半实物仿真系统，其特征在于，所述仿真机包括：
可编程处理部，其能够加载基于所述仿真数学模型所编写好的程序，并根据所述程序来控制所述台体的运动姿态；
模数采集部，用于采集从装载在所述台体上的所述导引头传回的模拟数据，并将其转换成数字形式；
数模转换部，用于将通过所述模数采集部采集到的数字量转换成模拟量，并将其提供给所述主控机，以能够进行更直观的显示；以及
串行通信部，用于提供所述仿真机与所述控制柜之间的串口通信连接。
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