罗 欣，吕 鸣，郭鸿武

(国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙 410073)

基于GPS/SINS制导控制系统的半实物仿真系统设计

罗 欣，吕 鸣，郭鸿武

(国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙 410073)

介绍了基于GPS/SINS的制导炸弹制导控制系统和半实物仿真系统组成,详细阐述了半实物仿真试验的目的、内容、试验原理及主要仿真设备的各项功能。设计了半实物仿真软件及半实物仿真试验模型所加的误差干扰,搭建半实物仿真环境,开展了半实物仿真试验。试验结果表明:半实物系统能有效模拟制导炸弹飞行过程,对制导炸弹制导控制系统进行了全面仿真验证,为飞行靶试试验提供了技术支撑,对制导炸弹飞行弹道评估和保证型号项目研制进度有重要的意义。

制导炸弹；制导控制系统；半实物仿真；仿真软件

0 引言

制导炸弹是一种空对地的航空制导弹药,是精确制导武器的重要组成部分,是战斗轰炸机、强击机等空中力量对地(海)面建筑物、桥梁、中小型指挥所、机场跑道、防空雷达阵地、水面舰艇等多种军事目标实施精确打击的重要手段。在冷战后的历次局部战争中,精确制导炸弹被广泛使用,取得了辉煌的作战效果。它的主要特点是结构简单、使用方便、命中精度较高、造价低、效费比高[1-3]。

制导控制系统是制导炸弹上的主要分系统,也是实现制导炸弹作战性能的关键分系统。在制导炸弹制导控制系统的研制过程中，有限的飞行试验不能充分暴露问题,同时受到环境条件的限制,无法替代系统仿真,尤其是半实物仿真。而且,通过半实物仿真可以避免武器系统数学仿真中复杂非线性时变环节的建模,检验各参试设备的功能和性能,考核设备间的协调性。本文设计了某型制导炸弹的半实物仿真系统,详细阐述了系统的组成和原理,并设计了相应的仿真软件[4-5]。

制导炸弹制导控制系统半实物仿真是集仿真建模、高性能实时计算、实时运行控制、高速实时通信于一体的试验验证[6]。半实物仿真系统将弹载设备接入仿真系统中,能在地面条件下尽可能地模拟制导炸弹在空中的飞行过程,预测制导控制系统的控制效果。由于仿真系统中包含了执行机构实物,因而能够反映出执行机构中存在的饱和、间隙、死区等非线性特性给制导控制系统带来的影响。通过半实物仿真,能够对制导控制系统的整体性能进行验证和评价,检验系统软、硬件设计实现的正确性,对制导控制律的正确性与有效性进行验证,为完善设计提供依据,以保证系统达到总体的指标要求。

1 制导炸弹制导控制系统组成

制导控制系统主要由惯性测量装置(IMU)、弹载计算机(包括飞控计算机和导航计算机)、卫星接收机、舵系统等组成。图1所示为制导控制系统(实框部分)原理及与内外部连接示意图。

图1 制导控制系统组成原理图Fig.1 Schematic diagram of the composition principle of the guidance and control system

2 制导炸弹制导控制系统半实物仿真试验目的

1)优化制导控制系统的参数设计。通过系统半实物仿真闭环试验,验证制导律设计的正确性,优化控制参数。

2)检验制导控制系统软、硬件功能的协调性。通过半实物仿真试验验证软件功能的完善性,系统各部件之间的连接关系、系统软件与硬件接口关系、系统的极性、供电关系的正确性。

3)验证制导控制系统的稳定性和抗干扰能力。在系统指标基本满足要求的基础上,在仿真系统中加入各种随机干扰和环境条件,特别是各种边界条件,进行各种干扰的灵敏度分析,验证制导控制系统的稳定性和抗干扰能力。

3 半实物仿真试验系统的组成及工作原理

半实物仿真又称硬件在回路仿真,是将计算机、数学模型、系统实际部件与物理效应装置相结合的仿真方式。半实物仿真的基本思想是用实物代替那些不准确的数学模型,能克服某些部件由于建模不准造成的仿真误差,在很大程度上避免了数学仿真的不足,是仿真技术中置信度较高的一种方法。从系统的观点来看,半实物仿真由于允许在系统中接入部分实物,以考察检验该装置是否满足系统整体性能指标,从而成为提高系统设计可靠性和研制质量的必要手段[7-8]。

制导控制系统半实物仿真遵循将制导控制系统部件和物理效应设备逐步加入仿真闭环中的原则,闭环规模由小到大,直至形成完整的半实物仿真平台。在试验时,将弹载计算机、舵系统、IMU依次接入闭环系统,完整的半实物仿真系统结构如图2所示。

图2 半实物仿真系统组成图Fig.2 Composition diagram of the hardware in the loop simulation system

在飞行器动力学仿真机上建立飞行器的动力学和运动学模型;系统上电后,弹载计算机按正常流程通过GJB289A总线接收总控/火控模拟计算机发送的目标参数和导航信息初始值;惯性测量装置安装在转台上,转台与飞行器动力学仿真机通过光纤连接;“投放”指令后,飞行器动力学仿真机将计算出的弹体姿态角速度送给转台控制器,控制转台运动,安装在转台上的惯性测量装置将敏感到的弹体角速度信息输出给飞行器动力学仿真机;飞行器动力学仿真机将解算出的比力与惯性测量装置输出的飞行器角速度信息进行融合,传送给弹载计算机;弹载计算机进行导航解算;卫星接收机接收GPS模拟器发送的模拟GPS信号,并将信息发给弹载计算机进行组合导航解算;弹载计算机进行制导律解算,通过D/A转换将解算出的舵控制指令送给舵系统,并通过A/D采集卡采集舵系统的舵机反馈信号用于弹体模型解算;数据采集系统记录仿真试验数据,供试验后分析比对。

4 主要仿真设备

4.1 飞行器动力学仿真机

飞行器动力学仿真机选用德国dSPACE仿真系统,该系统是基于实时半实物仿真技术的控制系统开发及测试的工作平台,系统既包括软件,又包括硬件。dSPACE系统的软件与Matlab/Simulink完全无缝连接,高度自动化的代码生成、下载和友好的试验、调试软件环境使得应用开发过程快速易行;专用硬件具有高速计算和信号I/O能力,能够很好地满足制导控制系统半实物试验和测试需求。飞行器动力学仿真机组成包括:

1)实时仿真系统软件:

a)仿真建模工具Matlab&Simulink;

b)实时接口驱动程序模型库RTI;

c)代码生成和编译工具;

d)仿真监控管理软件。

2)实时仿真系统硬件:

a)PowerPC处理器;

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总线——DS4501;

g)光纤反射内存网接口板——DS4201。

4.2 卧式三轴转台

卧式三轴转台是在实验室条件下模拟制导炸弹在空中三轴姿态运动的仿真设备。在半实物仿真系统中,三轴转台接收由飞行器动力学仿真计算机通过光纤反射内存网接口卡输出的三轴姿态角速度信息,驱动框架转动,以模拟飞行器运动姿态。仿真时外框对应俯仰角,中框对应偏航角,内框对应滚转角,惯性测量装置安装在内框[9-10]。

4.3 GPS信号模拟器

GPS信号模拟器用来在半实物仿真试验中给GPS接收装置提供信号源。

GPS信号模拟器由信号发生器、控制主机和实时网络组成，具有高动态、高精度的信号模拟质量,可配置高动态测试场景。通过反射内存网络,可以实时接收载体运动轨迹,实时生成卫星导航数据,能满足半实物仿真的需求。

4.4 舵机负载模拟器

舵机负载模拟器用于模拟舵机的铰链力矩加载。为了加载方便,通常将舵面卸下,直接将力矩加载到舵机输出轴上。

4.5 总控及载机火控模拟分系统

总控及载机火控模拟分系统主要由总控及载机火控模拟软件、工控机、以太网接口、RS232/422串口、GJB289A总线、数字离散量IO板卡和发射投放模拟装置组成。主要功能是完成系统仿真试验前主要设备启动自检、初始化参数设置、模拟发射前载机飞行状态和火控系统工作流程,控制并监视试验过程中设备的运行状态。其在综合性能实验室中的主要作用是:

1)总检查作用,保证试验运行前各设备状态良好;

2)总控制作用,发起和终止各设备和参试产品运行;

3)初始参数统一作用,保证弹体动力学模型、弹载计算机产品装订参数、试验物理效应设备在发射零秒时刻初始参数一致;

4)仿真时刻同步作用,保证弹体动力学模型实时仿真计算、弹载计算机产品解算、物理效应设备运行在“发射零秒”时刻的时钟同步性。

5 半实物仿真系统软件设计

仿真软件在Matlab平台下进行开发,采用模块化设计,主要包括转台控制模块、数据通信模块、弹体信息模块等。

转台控制模块:主要实现对转台的实时控制,模拟制导炸弹的飞行状态;

数据通信模块:主要完成A/D及D/A卡初始化,DIO卡初始化、串口初始化以及模拟GPS数据及加表数据的发送;

弹体信息模块:主要包括弹体运动学模型、弹体动力学模型、空气及大气模型、空气动力和动力矩模型、角度关系、弹目相对运动模型。微分方程的求解算法选择定步长型的四阶龙格库塔法(RK4)。

6 半实物仿真数学模型所加误差

为了更好地模拟制导炸弹使用过程的真实环境,在仿真数据模型中加入了误差干扰,主要误差干扰如下:

风干扰:为从严考核系统的能力,设定了以下四种较严酷的风干扰情况:

1)正侧风:幅值可变,与制导炸弹发射方向垂直,幅值随高度呈线性变化；

2)顺风:幅值可变,与制导炸弹发射方向平行,幅值随高度呈线性变化；

3)逆风:幅值可变,与制导炸弹发射方向相反,幅值随高度呈线性变化；

4)阵风:与发射方向垂直的风,作用10s后归零,再过10s后成负值,作用10s后又回零。风速随高度线性变化。

气动力和气动力矩误差:气动力吹风试验过程以及试验数据处理过程等给空气动力和空气动力矩数据带来误差,在半实物仿真系统中采用在弹体的动力学仿真模型,直接在插值计算出的空气动力和空气动力矩系数上乘系数的方法。

初始姿态角误差:对于机载武器,飞机上的发射装置在投放过程中会造成弹体离开发射架时的姿态跟挂飞时的姿态有区别,同时飞机投弹时的飞行姿态也会与设定的状态有一定的区别。在半实物仿真时,在转台进行相应设置。

7 半实物仿真结果

通过建立的半实物仿真系统,对某型制导炸弹制导控制系统进行仿真试验。验证了制导控制系统功能实现正常、全系统接口匹配,工作协调,系统表现出良好的稳定性和鲁棒性,满足各项性能指标要求。不加任何干扰时,弹道仿真结果如图3、图4、图5所示。此外,在试验中还进行了气动参数拉偏、风干扰、初始条件拉偏等误差条件的弹道仿真,验证了制导炸弹的稳定性和抗干扰能力。

图3 侧偏、攻角曲线Fig.3 Side offset and angle of attack curve

图4 侧滑角、俯仰角曲线Fig.4 Sideslip angle and pitch angle curve

图5 偏航角、滚转角角曲线Fig.5 Yaw angle and roll angle curve

制导炸弹空中飞行姿态稳定,制导精度较高,较好地模拟了制导炸弹空中飞行及命中目标过程,有很高的仿真置信度。

8 结论

本文介绍了制导控制系统的组成及半实物仿真试验的目的、内容和试验原理。提出了半实物仿真系统的设计方案,详细阐述了系统的工作流程。设计了相应的仿真软件,完成了制导控制系统半实物仿真试验,并对结果进行了分析。该系统能有效模拟制导炸弹飞行过程,对制导炸弹制导控制系统进行了全面仿真验证,为飞行靶试试验提供技术支撑。

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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。

罗欣(1982-)，男，硕士，主要从事制导控制及仿真方面的研究。E-mail: luoxin20180719@163.com

TP271

A

2095-8110(2017)01-0110-05