基于SIMBox的电视指令制导导弹模拟训练研究*

马潇潇，李青，陈义军，刘涛

(空军勤务学院，江苏 徐州 221000)

0 引言

电视指令制导导弹属于防区外空射巡航导弹，采用人在回路中对导弹进行控制的方式。导弹发射后操作员根据电视导引头传回的电视图像，搜索地标，控制导弹沿预定航路飞行，直至最后一个地标点，导弹锁定目标后才能够通过自动或手动导引方式飞向目标[1-2]。由于整个使用过程较为复杂，操作员极易因为电视图像不清晰、作战环境不熟悉等因素无法找到地标，从而丢失目标。

操作员必须通过大量、反复的训练才能熟练掌握这类武器装备，充分发挥其作战效能。武器装备技术复杂,造价昂贵，在日常训练若全部采用实装训练,不仅花费巨大,而且受地理条件、法规等限制(例如不可能在假想敌的空域内进行对地攻击训练),难以满足作战训练需求[3-4]。模拟训练是当前国内外解决这一问题主要途径[5-6]。目前在训练仿真领域已经提出许多切实可行的仿真架构和建模方法[7-11]。

SIMBox是SimiGon公司开发的基于PC环境的仿真训练软件平台。是目前惟一的集训练系统管理、训练效果追踪、视景仿真、建模开发等功能于一体的综合性训练平台。本文采用SIMBox仿真平台设计并开发了电视指令制导导弹仿真训练系统。

1 攻击过程分析

电视指令制导导弹的制导系统，通常采用惯导+捕控指令电视末制导的制导方式。惯导工作阶段时可以采用捷联惯导进行控制；在中段、末段制导阶段，导引头中的电视摄像机摄取导弹前方可见光图像，经过无线传送后电视图像在载机的多功能显示器(multi-function display，MFD)上，武器操作员通过观察MFD上的导弹前方地形、目标等信息，根据相应的导引律作出正确的判断，通过操纵传感器，给飞行中的导弹发出导引指令；导弹上的接收装置收到指令后，由导弹上的控制系统根据指令内容调整导弹的飞行姿态。MFD持续显示导弹导引头的图像，直到导弹命中目标。工作流程如图1所示。

图1 电视指令制导导弹工作流程Fig.1 Work flow of TV-command-guided missile

2 导弹运动与动力学模型

导弹的运动可以看作是质心移动和绕质心转动的合成运动。这2种类型的运动，分别有3个自由度。质心移动取决于作用在导弹上的力，绕质心的转动则取决于作用在导弹上相对于质心的力矩。以下式中部分符号定义见文献[12]。

2.1 作用在导弹上的空气动力和力矩

阻力系数CX、升力系数CY、侧力系数CZ的计算：

(1)

力矩模型(不考虑导弹的滚转力矩)：

(2)

2.2 发动机推力与导弹质量模型

(3)

式中：P为推力；Pmax为助推发动机推力；PM(h)为涡喷发动机推力；h为导弹飞行高度;tM为助推发动机工作时间。

(4)

式中：m0为导弹原有的总质量； mCT为助推发动机推进剂质量消耗率(秒流量)；mM为抛弃助推发动机后导弹总质量。

2.3 弹体动力学模型

运用牛顿第二定律建立的弹体质心运动模型为

(5)

弹体坐标系下绕质心转动的动力学方程(不考虑弹体滚转运动)为

转动惯量：

(6)

式中：J0为带有助推发动机导弹原始的赤道转动惯量；JCT为助推发动机工作阶段J0的减小速率；JM为抛弃用完燃料的助推发动机后导弹的赤道转动惯量；JMCP为涡喷发动机工作阶段JM的减小速率。

弹体坐标系下质心运动的动力学方程为

(7)

式中：ε1，ε2，ε3为地球坐标系到弹体坐标系的转换矩阵元素；nx1，ny1，nz1为导弹在弹体坐标系中的过载。

3 导弹控制指令模型

导弹控制指令模型在武器发射后，根据操作员在传感器上的输入压力以及导弹的飞行状态，将压力信号转为对导弹俯仰角和航向角的控制指令。

3.1 导弹导引头计算

导弹导引头包含着电视摄像机、伺服机构、信号处理、图像跟踪等功能单元，电视摄像机可以通过伺服机构进行俯仰和航向运动，不仅可以根据操作员的控制指令进行俯仰和航向运动而且会伴随导弹的航向调整改变自身的航向角。导弹飞行航向未进行控制时，有

(8)

式中：Yoffset为摄像机方位角偏移指令；Poffset为摄像机相对俯仰角偏移指令；Pint为摄像机的初始俯仰角；Cx，Cy分别是角度转换系数；x，y为传感器压力数值。

产生了方位和俯仰角的偏转指令后，伺服机构根据指令完成摄像机的转动。

(9)

式中：θy，θp分别为摄像机t时间段内偏航方向和俯仰方向上转动的角度；Ycur，Pcur分别为摄像机当前时刻相对于弹轴的方位角和俯仰角；Cry，Crp，Cy0，Cp0分别为方位角、俯仰角的控制系数常量。

3.2 控制指令的计算

摄像机获取的电视图像上有一个瞄准标记，操作员可用压力传感器控制其在电视图像上运动，用于为导弹指示目标，该标记是目标视线在摄像机垂直截面上的投影。通过计算该标记与图像中心的位置关系，可以得出对导弹的俯仰与航向控制指令。

(1) 导弹进入末段攻击阶段时，先进行一步初始化工作，将当前的摄像机俯仰角Pcur作为导弹的期望俯仰角，发送给导弹实体，导弹实体将调整弹体的俯仰角度。

(2) 计算导弹俯仰偏转指令与航向偏转指令

(10)

式中：YMoff，PMoff分别为dT内对导弹航向、俯仰的控制增量；Pos[X,Y]为根据电视图像的分辨率和航向、俯仰控制量得出的图像上瞄准标记的坐标；F为根据控制量计算图像坐标的函数；Ycmd，Pcmd分别为对导弹航向角和俯仰角指令；Cy1，Cp1分别为操控系数。

4 仿真实现与结果分析

仿真系统的核心功能是要在仿真世界中实现电视指令制导导弹的操作的整个过程，满足模拟训练的要求。主要工作包括：构建仿真对象(包括载机、空地导弹、各类地面目标等)、开发地形库以及配置用于人机交互的传感器等外围设备。

仿真前需要设定任务数据，包括载机的起飞位置，目标坐标，航线等信息。仿真开始后，载机可自动驾驶或人工操纵到达预定航路点，完成导弹发射准备后，发射导弹，导弹运动模型开始计算导弹运动坐标、姿态、速度等参数，操作员根据MFD上的电视图像通过传感器对导弹进行操纵，控制指令模型将传感器上的压力信号转换为对导弹的俯仰角、航向角的控制指令。仿真过程如图2所示。

图2 仿真效果Fig.2 Simulation effects

对比仿真弹道与靶试弹道数据(如图3)，可见仿真弹道具有较高的逼真度，运动模型与动力学模型体现了该型导弹的运动特性。从传感器、控制指令、导弹俯仰/航向角的数据可以看出(如图4，5)，控制指令模型可很好实现仿真中操作员对导弹的控制，表明模型具有较高的可信度。

图3 仿真弹道轨迹与靶试弹道轨迹Fig.3 Trajectory of the missile

图4 导弹俯仰角控制Fig.4 Pitch control of the missile

图5 导弹航向角控制Fig.5 Yaw control of the missile

5 结束语

本文建立了电视指令制导导弹运动学与动力学模型，控制指令模型，在SIMBox平台上建立了仿真并进行了实例分析。该类武器实装训练受到安全、经费等众多因素的限制，基于SIMBox的模拟训练系统可以很好地解决此问题，为该类武器的训练、对地攻击的战术战法研究提供了高效费比的仿真环境。目前，研究成果已应用于实际训练，并具有较好的效果。

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