基于GPS/SINS制導(dǎo)控制系統(tǒng)的半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計

羅 欣，呂 鳴，郭鴻武

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,長沙 410073)

基于GPS/SINS制導(dǎo)控制系統(tǒng)的半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計

羅 欣，呂 鳴，郭鴻武

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,長沙 410073)

介紹了基于GPS/SINS的制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)和半實物仿真系統(tǒng)組成,詳細闡述了半實物仿真試驗的目的、內(nèi)容、試驗原理及主要仿真設(shè)備的各項功能。設(shè)計了半實物仿真軟件及半實物仿真試驗?zāi)Ｐ退拥恼`差干擾,搭建半實物仿真環(huán)境,開展了半實物仿真試驗。試驗結(jié)果表明:半實物系統(tǒng)能有效模擬制導(dǎo)炸彈飛行過程,對制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)進行了全面仿真驗證,為飛行靶試試驗提供了技術(shù)支撐,對制導(dǎo)炸彈飛行彈道評估和保證型號項目研制進度有重要的意義。

制導(dǎo)炸彈；制導(dǎo)控制系統(tǒng)；半實物仿真；仿真軟件

0 引言

制導(dǎo)炸彈是一種空對地的航空制導(dǎo)彈藥,是精確制導(dǎo)武器的重要組成部分,是戰(zhàn)斗轟炸機、強擊機等空中力量對地(海)面建筑物、橋梁、中小型指揮所、機場跑道、防空雷達陣地、水面艦艇等多種軍事目標實施精確打擊的重要手段。在冷戰(zhàn)后的歷次局部戰(zhàn)爭中,精確制導(dǎo)炸彈被廣泛使用,取得了輝煌的作戰(zhàn)效果。它的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、命中精度較高、造價低、效費比高[1-3]。

制導(dǎo)控制系統(tǒng)是制導(dǎo)炸彈上的主要分系統(tǒng),也是實現(xiàn)制導(dǎo)炸彈作戰(zhàn)性能的關(guān)鍵分系統(tǒng)。在制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的研制過程中，有限的飛行試驗不能充分暴露問題,同時受到環(huán)境條件的限制,無法替代系統(tǒng)仿真,尤其是半實物仿真。而且,通過半實物仿真可以避免武器系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真中復(fù)雜非線性時變環(huán)節(jié)的建模,檢驗各參試設(shè)備的功能和性能,考核設(shè)備間的協(xié)調(diào)性。本文設(shè)計了某型制導(dǎo)炸彈的半實物仿真系統(tǒng),詳細闡述了系統(tǒng)的組成和原理,并設(shè)計了相應(yīng)的仿真軟件[4-5]。

制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實物仿真是集仿真建模、高性能實時計算、實時運行控制、高速實時通信于一體的試驗驗證[6]。半實物仿真系統(tǒng)將彈載設(shè)備接入仿真系統(tǒng)中,能在地面條件下盡可能地模擬制導(dǎo)炸彈在空中的飛行過程,預(yù)測制導(dǎo)控制系統(tǒng)的控制效果。由于仿真系統(tǒng)中包含了執(zhí)行機構(gòu)實物,因而能夠反映出執(zhí)行機構(gòu)中存在的飽和、間隙、死區(qū)等非線性特性給制導(dǎo)控制系統(tǒng)帶來的影響。通過半實物仿真,能夠?qū)χ茖?dǎo)控制系統(tǒng)的整體性能進行驗證和評價,檢驗系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計實現(xiàn)的正確性,對制導(dǎo)控制律的正確性與有效性進行驗證,為完善設(shè)計提供依據(jù),以保證系統(tǒng)達到總體的指標要求。

1 制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成

制導(dǎo)控制系統(tǒng)主要由慣性測量裝置(IMU)、彈載計算機(包括飛控計算機和導(dǎo)航計算機)、衛(wèi)星接收機、舵系統(tǒng)等組成。圖1所示為制導(dǎo)控制系統(tǒng)(實框部分)原理及與內(nèi)外部連接示意圖。

圖1 制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成原理圖Fig.1 Schematic diagram of the composition principle of the guidance and control system

2 制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實物仿真試驗?zāi)康?/h2>

1)優(yōu)化制導(dǎo)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計。通過系統(tǒng)半實物仿真閉環(huán)試驗,驗證制導(dǎo)律設(shè)計的正確性,優(yōu)化控制參數(shù)。

2)檢驗制導(dǎo)控制系統(tǒng)軟、硬件功能的協(xié)調(diào)性。通過半實物仿真試驗驗證軟件功能的完善性,系統(tǒng)各部件之間的連接關(guān)系、系統(tǒng)軟件與硬件接口關(guān)系、系統(tǒng)的極性、供電關(guān)系的正確性。

3)驗證制導(dǎo)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。在系統(tǒng)指標基本滿足要求的基礎(chǔ)上,在仿真系統(tǒng)中加入各種隨機干擾和環(huán)境條件,特別是各種邊界條件,進行各種干擾的靈敏度分析,驗證制導(dǎo)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

3 半實物仿真試驗系統(tǒng)的組成及工作原理

半實物仿真又稱硬件在回路仿真,是將計算機、數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)實際部件與物理效應(yīng)裝置相結(jié)合的仿真方式。半實物仿真的基本思想是用實物代替那些不準確的數(shù)學(xué)模型,能克服某些部件由于建模不準造成的仿真誤差,在很大程度上避免了數(shù)學(xué)仿真的不足,是仿真技術(shù)中置信度較高的一種方法。從系統(tǒng)的觀點來看,半實物仿真由于允許在系統(tǒng)中接入部分實物,以考察檢驗該裝置是否滿足系統(tǒng)整體性能指標,從而成為提高系統(tǒng)設(shè)計可靠性和研制質(zhì)量的必要手段[7-8]。

制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實物仿真遵循將制導(dǎo)控制系統(tǒng)部件和物理效應(yīng)設(shè)備逐步加入仿真閉環(huán)中的原則,閉環(huán)規(guī)模由小到大,直至形成完整的半實物仿真平臺。在試驗時,將彈載計算機、舵系統(tǒng)、IMU依次接入閉環(huán)系統(tǒng),完整的半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 半實物仿真系統(tǒng)組成圖Fig.2 Composition diagram of the hardware in the loop simulation system

在飛行器動力學(xué)仿真機上建立飛行器的動力學(xué)和運動學(xué)模型;系統(tǒng)上電后,彈載計算機按正常流程通過GJB289A總線接收總控/火控模擬計算機發(fā)送的目標參數(shù)和導(dǎo)航信息初始值;慣性測量裝置安裝在轉(zhuǎn)臺上,轉(zhuǎn)臺與飛行器動力學(xué)仿真機通過光纖連接;“投放”指令后,飛行器動力學(xué)仿真機將計算出的彈體姿態(tài)角速度送給轉(zhuǎn)臺控制器,控制轉(zhuǎn)臺運動,安裝在轉(zhuǎn)臺上的慣性測量裝置將敏感到的彈體角速度信息輸出給飛行器動力學(xué)仿真機;飛行器動力學(xué)仿真機將解算出的比力與慣性測量裝置輸出的飛行器角速度信息進行融合,傳送給彈載計算機;彈載計算機進行導(dǎo)航解算;衛(wèi)星接收機接收GPS模擬器發(fā)送的模擬GPS信號,并將信息發(fā)給彈載計算機進行組合導(dǎo)航解算;彈載計算機進行制導(dǎo)律解算,通過D/A轉(zhuǎn)換將解算出的舵控制指令送給舵系統(tǒng),并通過A/D采集卡采集舵系統(tǒng)的舵機反饋信號用于彈體模型解算;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄仿真試驗數(shù)據(jù),供試驗后分析比對。

4 主要仿真設(shè)備

4.1 飛行器動力學(xué)仿真機

飛行器動力學(xué)仿真機選用德國dSPACE仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)是基于實時半實物仿真技術(shù)的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試的工作平臺,系統(tǒng)既包括軟件,又包括硬件。dSPACE系統(tǒng)的軟件與Matlab/Simulink完全無縫連接,高度自動化的代碼生成、下載和友好的試驗、調(diào)試軟件環(huán)境使得應(yīng)用開發(fā)過程快速易行;專用硬件具有高速計算和信號I/O能力,能夠很好地滿足制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實物試驗和測試需求。飛行器動力學(xué)仿真機組成包括:

1)實時仿真系統(tǒng)軟件:

a)仿真建模工具Matlab&Simulink;

b)實時接口驅(qū)動程序模型庫RTI;

c)代碼生成和編譯工具;

d)仿真監(jiān)控管理軟件。

2)實時仿真系統(tǒng)硬件:

a)PowerPC處理器;

b)AD板卡——DS2103;

c)DA板卡——DS2003;

d)DIO板卡——DS4003;

e)RS232/422/485串口卡——DS4201S;

f)MIL-STD-1553B總線——DS4501;

g)光纖反射內(nèi)存網(wǎng)接口板——DS4201。

4.2 臥式三軸轉(zhuǎn)臺

臥式三軸轉(zhuǎn)臺是在實驗室條件下模擬制導(dǎo)炸彈在空中三軸姿態(tài)運動的仿真設(shè)備。在半實物仿真系統(tǒng)中,三軸轉(zhuǎn)臺接收由飛行器動力學(xué)仿真計算機通過光纖反射內(nèi)存網(wǎng)接口卡輸出的三軸姿態(tài)角速度信息,驅(qū)動框架轉(zhuǎn)動,以模擬飛行器運動姿態(tài)。仿真時外框?qū)?yīng)俯仰角,中框?qū)?yīng)偏航角,內(nèi)框?qū)?yīng)滾轉(zhuǎn)角,慣性測量裝置安裝在內(nèi)框[9-10]。

4.3 GPS信號模擬器

GPS信號模擬器用來在半實物仿真試驗中給GPS接收裝置提供信號源。

GPS信號模擬器由信號發(fā)生器、控制主機和實時網(wǎng)絡(luò)組成，具有高動態(tài)、高精度的信號模擬質(zhì)量,可配置高動態(tài)測試場景。通過反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò),可以實時接收載體運動軌跡,實時生成衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù),能滿足半實物仿真的需求。

4.4 舵機負載模擬器

舵機負載模擬器用于模擬舵機的鉸鏈力矩加載。為了加載方便,通常將舵面卸下,直接將力矩加載到舵機輸出軸上。

4.5 總控及載機火控模擬分系統(tǒng)

總控及載機火控模擬分系統(tǒng)主要由總控及載機火控模擬軟件、工控機、以太網(wǎng)接口、RS232/422串口、GJB289A總線、數(shù)字離散量IO板卡和發(fā)射投放模擬裝置組成。主要功能是完成系統(tǒng)仿真試驗前主要設(shè)備啟動自檢、初始化參數(shù)設(shè)置、模擬發(fā)射前載機飛行狀態(tài)和火控系統(tǒng)工作流程,控制并監(jiān)視試驗過程中設(shè)備的運行狀態(tài)。其在綜合性能實驗室中的主要作用是:

1)總檢查作用,保證試驗運行前各設(shè)備狀態(tài)良好;

2)總控制作用,發(fā)起和終止各設(shè)備和參試產(chǎn)品運行;

3)初始參數(shù)統(tǒng)一作用,保證彈體動力學(xué)模型、彈載計算機產(chǎn)品裝訂參數(shù)、試驗物理效應(yīng)設(shè)備在發(fā)射零秒時刻初始參數(shù)一致;

4)仿真時刻同步作用,保證彈體動力學(xué)模型實時仿真計算、彈載計算機產(chǎn)品解算、物理效應(yīng)設(shè)備運行在“發(fā)射零秒”時刻的時鐘同步性。

5 半實物仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計

仿真軟件在Matlab平臺下進行開發(fā),采用模塊化設(shè)計,主要包括轉(zhuǎn)臺控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、彈體信息模塊等。

轉(zhuǎn)臺控制模塊:主要實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的實時控制,模擬制導(dǎo)炸彈的飛行狀態(tài);

數(shù)據(jù)通信模塊:主要完成A/D及D/A卡初始化,DIO卡初始化、串口初始化以及模擬GPS數(shù)據(jù)及加表數(shù)據(jù)的發(fā)送;

彈體信息模塊:主要包括彈體運動學(xué)模型、彈體動力學(xué)模型、空氣及大氣模型、空氣動力和動力矩模型、角度關(guān)系、彈目相對運動模型。微分方程的求解算法選擇定步長型的四階龍格庫塔法(RK4)。

6 半實物仿真數(shù)學(xué)模型所加誤差

為了更好地模擬制導(dǎo)炸彈使用過程的真實環(huán)境,在仿真數(shù)據(jù)模型中加入了誤差干擾,主要誤差干擾如下:

風干擾:為從嚴考核系統(tǒng)的能力,設(shè)定了以下四種較嚴酷的風干擾情況:

1)正側(cè)風:幅值可變,與制導(dǎo)炸彈發(fā)射方向垂直,幅值隨高度呈線性變化；

2)順風:幅值可變,與制導(dǎo)炸彈發(fā)射方向平行,幅值隨高度呈線性變化；

3)逆風:幅值可變,與制導(dǎo)炸彈發(fā)射方向相反,幅值隨高度呈線性變化；

4)陣風:與發(fā)射方向垂直的風,作用10s后歸零,再過10s后成負值,作用10s后又回零。風速隨高度線性變化。

氣動力和氣動力矩誤差:氣動力吹風試驗過程以及試驗數(shù)據(jù)處理過程等給空氣動力和空氣動力矩數(shù)據(jù)帶來誤差,在半實物仿真系統(tǒng)中采用在彈體的動力學(xué)仿真模型,直接在插值計算出的空氣動力和空氣動力矩系數(shù)上乘系數(shù)的方法。

初始姿態(tài)角誤差:對于機載武器,飛機上的發(fā)射裝置在投放過程中會造成彈體離開發(fā)射架時的姿態(tài)跟掛飛時的姿態(tài)有區(qū)別,同時飛機投彈時的飛行姿態(tài)也會與設(shè)定的狀態(tài)有一定的區(qū)別。在半實物仿真時,在轉(zhuǎn)臺進行相應(yīng)設(shè)置。

7 半實物仿真結(jié)果

通過建立的半實物仿真系統(tǒng),對某型制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)進行仿真試驗。驗證了制導(dǎo)控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)正常、全系統(tǒng)接口匹配,工作協(xié)調(diào),系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和魯棒性,滿足各項性能指標要求。不加任何干擾時,彈道仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。此外,在試驗中還進行了氣動參數(shù)拉偏、風干擾、初始條件拉偏等誤差條件的彈道仿真,驗證了制導(dǎo)炸彈的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖3 側(cè)偏、攻角曲線Fig.3 Side offset and angle of attack curve

圖4 側(cè)滑角、俯仰角曲線Fig.4 Sideslip angle and pitch angle curve

圖5 偏航角、滾轉(zhuǎn)角角曲線Fig.5 Yaw angle and roll angle curve

制導(dǎo)炸彈空中飛行姿態(tài)穩(wěn)定,制導(dǎo)精度較高,較好地模擬了制導(dǎo)炸彈空中飛行及命中目標過程,有很高的仿真置信度。

8 結(jié)論

本文介紹了制導(dǎo)控制系統(tǒng)的組成及半實物仿真試驗的目的、內(nèi)容和試驗原理。提出了半實物仿真系統(tǒng)的設(shè)計方案,詳細闡述了系統(tǒng)的工作流程。設(shè)計了相應(yīng)的仿真軟件,完成了制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實物仿真試驗,并對結(jié)果進行了分析。該系統(tǒng)能有效模擬制導(dǎo)炸彈飛行過程,對制導(dǎo)炸彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)進行了全面仿真驗證,為飛行靶試試驗提供技術(shù)支撐。

[1] 范金榮. 制導(dǎo)炸彈發(fā)展綜述[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2004, 32(3): 27-31.

[2] 李保平. 航空制導(dǎo)炸彈的發(fā)展技術(shù)途徑與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2006, 26(3)： 100-103.

[3] 賈秋銳, 孫媛媛, 肖樹臣, 等. 航空制導(dǎo)炸彈發(fā)展趨勢[J]. 制導(dǎo)與引信, 2014, 35(1):8-9.

[4] 彭曉源. 系統(tǒng)仿真技術(shù)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.

[5] 高智杰, 王仕成, 史國華. 風標式激光制導(dǎo)炸彈半實物仿真研究[J]. 紅外與激光工程, 2007, 36(2):374-375.

[6] 劉金, 周振浩, 李艷雷, 等.一體化實時仿真平臺技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 導(dǎo)航定位與授時, 2015, 2(1):66-71.

[7] 單勇.實時半實物仿真平臺關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].湖南:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010.

[8] 耿麗娜, 秦海力, 鄭志強. 制導(dǎo)炸彈彈道仿真系統(tǒng)開發(fā)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2008, 20(21):5748-5751.

[9] Duan H, Wang D，Yu X.Realization of nonlinear PID with feed-forward controller for 3-DOF flight simulatorand hardware-in-the-loop simulation[J]. Journal of Systems Engineering and Electronics, 2008, 19(2)：342-345.

[10] 黃長強, 袁建平, 葛賢坤. SINS/GPS制導(dǎo)炸彈控制系統(tǒng)仿真[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006, 7(1)：23-25.

Design of Hardware-in-the-Loop Simulation System Based on GPS/SINS Guidance Control System

LUO Xin, LV Ming, GUO Hong-wu

(Department of Mechanical and Electrical Engineering and Automation, National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

The composition of the guidance and control system and the hardware in the loop simulation system based on GPS/SINS guided bomb are introduced in this paper, expounds the purpose, the content, the test principle and the function of the main simulation equipment of the hardware in the loop simulation. Design of hardware in the loop simulation software and hardware in the loop simulation test model with error interference , the hardware in the loop simulation environment is set up by the hardware in the loop simulation test. Test results show that: semi physical system can effectively simulate the flight process of guided bomb, on the guidance control system of guided bomb were comprehensive simulation validation, to provide technical support for flying target pilot test, on flight trajectory of guided bombs assessment and assurance model project development progress has important significance.

Guided bomb; Guidance control system; Hardware in the loop simulation; Simulation software

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.019

2016-05-21；

2016-07-04。

羅欣(1982-)，男，碩士，主要從事制導(dǎo)控制及仿真方面的研究。E-mail: luoxin20180719@163.com

TP271

A

2095-8110(2017)01-0110-05