刘聪，张洋
（中国飞行试验研究院，陕西西安，710089）
摘要：首先，对于激光制导武器半实物仿真系统的设计是建立在激光制导弹药的背景下，阐明了激光制导武器半实物仿真系统的实验目标与内容，并介绍了激光制导武器的功能定位以及组成架构；其次，在室内半实物仿真环境下，基于激光制导武器中引导头的光学特性及制导与控制原理，设计出激光制导武器半实物仿真系统架构；最后，设定两种初始条件，进行仿真实验对比，查证结果显示建立在该导引头及角速率陀螺的控制系统上，能够使激光制导武器的精准度得到进一步提升。
关键词：激光制导；半实物仿真；精准度；光学特性
皮革涂饰剂0引言
半实物仿真系统是用于弹上部件引入仿真回路，并为其
模拟出真实的应用场景的仿真方法，除实物外，以数学模型
进行仿真。半实物仿真系统能够有效解决建模困难的问题，
且具备较高的仿真置信度，能够为技术决策提供丰富可靠数
据资源。因此，半实物仿真方法是激光制导武器系统设计与
开发中必要的性能评价手段与建造工具，科学应用于系统的
设计、研制、评估等各个阶段。目前，全球科技与军事力量
都在不断强化，对于制导武器的开发水平也随着仿真技术的
发展而快速提升，为提升我国武器装备的仿真实验技术，必
须针对激光制导武器的半实物仿真平台进行科学研究与战
略开发。
1制导系统半实物仿真试验的目的和内容
对激光制导武器进行半实物仿真试验是为了利用仿真
打靶的手段，将对弹的激光制导武器的制导部件与各部系统
封装外壳
性能进行考核，保证制导精确度与系统动态性能，为激光武
器的性能评判提供数据依据。关于稳定回路，关键是对自动
驾驶仪中所涉及到的惯性器件与控制电路进行考核，关于舵
机回路，关键是对其静态与动态特性对激光制导系统精准度
与性能产生的影响进行考核；关于引导回路，关键是对导引
头上的探测器进行非线性特征检测与目标跟踪特性检测，以
此保证激光制导武器动态性能的质量与精准度的控制。制导
武器半实物仿真系统的展开依据是按照由开环至闭环、由部
分至整体、由小回路至大回路的标准E。激光制导半实物仿
真系统试验内容及步骤如图1所示。
激光制导系统半实物仿真试验
III通道仿真1卜
-[II通道仿真2]--[稳定回路半实物仿真5
-■[I通道仿真2卜
舵机回路仿真厂卜1
导引头仿真4]_[引导回路半实物仿真6卜」
全
制
导
系
统
半
实
物
仿
真
7
图1激光制导半实物仿真试验流程2激光制导武器半实体仿真系统功能及组成■2.1半实物仿真系统功能解析
参照半实物仿真方法的相似性原理，可以确定半实物仿真系统具有以下三点功能。首先，半实物仿真系统能够对真实弹体的姿态与运动轨迹进行模拟；其次，半实物仿真系统能够为制导武器提供激光照射环境，计算并模拟出目标物体的运动；最后，半实物仿真系统能够接收弹上计算机发出的信号指令，实现六自由度弹道的模拟。
在制导武器半实物仿真系统中，实时仿真计算设备（其中包括A/D模块、D/A模块以及串口通讯等）能够见各部分功能的信息进行综合性处理，并利用控制柜和转台平台将系统内的信息数据进行传递交互；
弹上部件所承载的三轴转台平台将弹体的形势姿态与运动轨迹进行模拟；激光制导模拟器将固定在两轴转台之上，负责将用于管控激光光斑的幕布位置；帮助系统计算机监测、模拟、记录相关的仿真数据。■2.2激光制导武器系统的组成
激光制导武器中制导系统的构成包括激光照射装置、导引头、舵机、弹体、自动驾驶仪等部件。此类制导武器的主要特征有以下三点。首先，在于激光半主动制导体制的运用以及激光导引与速度追踪导引律；其次，制导武器中是通过倾斜的三通道自动驾驶仪与燃气比例舵机来进行控制；最后，激光制导武器的弹道特点表现在零指令方式家末段导引±0控制理论视域下，制导系统是由稳定回路（即小回路）与导引回路（即大回路）共同构成。除去弹体本身的动力学与相对运动学方程外，稳定回路的所有控制装置都固定于尾部的仪器舱中，控制装置包括惯性器件、相关电路以及舵机，导引回路包含导引头与激光照射装置[21o
3激光制导武器半实物仿真系统结构
为了将激光制导武器进行综合型评估，将制导飞行中半主动弹药的相关部件进行性能与质量的仿真检测。把导引头、角速率陀螺、弹上计算机等设备添加至仿真回路中，规划出激光制导武器中用于指导和控制的仿真方案，系统模型结构如图2所示。
www.elel69
信
JSH 程
监
控、检测、记录、显示等
仿真计算机(弹体模型、目标环境模型等)
图2半实物仿真实验模型结构
半实物仿真模型是建立在模块化的设计理念上，能够通
过大气环境参数、弹道初始条件、激光模拟器参数、运动目
标相关参数以及风干扰模型参数等，考核不同边界条件下弹
体中系统的性能质量。在半实物仿真试验模型中，通过数学
仿真对以及几项任务进行计算：六自由度有控弹道动力学及 运动学方程式、大气环境模型、目标运动模型、室内弹目视 线模型。在实际的测试流程中，激光光斑通过两轴转台对激
光模拟器的作用下，照射到相应的幕布位置中，导引头在收 到激光漫反射所产生的光斑能量后，发出制导指令，并通过
弹上的计算机产生角速率陀螺信号，之后将生成的控制指令 传输至仿真机中，建立完整的弹道方程计算，向三轴转台创 造弹体的姿态，并参照弹目之间的关系，生成相应的角度指
令，模仿出真实的LOS，保证角速率陀螺仪具备真实的姿 态与运动轨迹［31o
■ 3.1弹目相对几何关系
结合仿真布局中的机构组成，创建地面坐标系°护，将
导引头光轴中心设定为原点，幕布是铅垂平面，且幕布和
O x 轴是平行关系。将转台回转中心和幕布之间的距离设为
I，则轴转台与回转中心的距离是厶2。基于仿真理论中的几 何相似原理，仿真系统中的弹目视线方位角、弹道与高低角 的视线方位角相互对应。基于室内环境几何方位可知，由于
受到室内尺寸条件的限制，末制导段视线的高低角需控制 在-30°—-45°之间，突破俯仰方向的可接受范围后，光斑则 会投落至地面上。使地面坐标系以O z 为中心轴顺时针旋转， 共旋转常值角度，获取新的坐标系。小”，使弹目视线归落
至幕布上。结合弹目之间的位置关系，确定某时刻坐标系为 （x r , y r zj，新坐标表现为：
X * cos0 -sin0 0 x *
机壳
y' — sin" cos f l 0 y'
0 1 z*
在新的坐标系中，关于视线所
处的直线方程解析式如公式lo
_______x _______=_______y ______= J z_ x r cos 0 -儿 sin 0 x r cos p-y r sin 0 z,
⑴
进而可以推算出光斑的具体位置 坐标：
Xgpot —，30
y x r cos^+yr sinjff spot ~ Xr cos fi-y r sin 30
Z _ Z"“30
spot x r cos fl-y r sin fl
通过以上方程得出两轴转台关于高 低、方位的指令：
甩=arctan
, z ” — z t
z ””，= arctan -----—spot *
儿spot
栅栏门■ 3.2激光入瞳光学特性解析
当导引头处于飞行状态时，其捕获激光功率的密度会根 据弹目距离的缩小而扩大，且光斑也会逐渐变大。因此，激
光制导武器的中的模拟器应具备光斑与能量可调的功能，实
现最大功率的有效照射，为导引头的飞行模拟逼真的照射条
件与环境。基于大气光学基础理论知识， 的功率（厶）与模拟器发出的激光功率 的关系表现为公式2：
可以将导引头收到（巳）这二者之间5代表散射面积与
P 尸P 譬T 。
公式中，Q，代表导引头接收面积；光斑面积的比值；。代表反射率；代表弹目实际距离； 町代表大气透过率。考虑到光斑的大小会根据弹目距离的
远近而产生变化，因此，将标准尺寸设定为c T xc T ，因此， 光斑大小阪，的计算方式如公式3所示。
r = ‘32
G
k q 2
据此可知，£、知，和弹目距离亦都是反比关系。在
仿真试验中，模型应结合弹目距离的变化而实时调整模拟器
的能量与光斑大小。
木材拉丝机⑵
⑶
4激光制导武器半实物弹道仿真试验
将末制导段的弹目最大值设定为3500m，初始化弹目
视线角设定为-30°o 在两种初始弹道条件下，对激光制导 武器进行半实物仿真试验，试验统计数值如表1所示。
（下转第24页）
32 I 电子制作2021年01
月
158秒的周期数据由K近邻算法获取，165秒的周期由随机法计算获取。观测无人机通信信号辨识效率、飞行稳定性、通信响应周期。
■3.2模砒果
模拟实验总计持续15分钟，完成信号传输90次，实时开展工作观察。通信响应周期借助传感器完成记录，在实验完成时直接获取，实验结果如下：
(1)实验时间为15分钟。
(2)无人机通信信号辨识效率为98.35%o
(3)飞行稳定性为100%，即发生碰撞可能性为0。
(4)通信响应周期为0.22秒。
依据实验结果，在15分钟的实验周期范围内，多组无人机共同飞行对其实施的通信控制，控制效果良好，信号辨识效率高达98.35%，飞行稳定性为100%，在各类飞行过程中无碰撞事件发生的可能性，
在爬升、速度变化、降落等飞行过程中，通信响应周期均值为0.22秒，能够顺应大多数无人机作业的响应需求，表示通信控制技术具有可行性。■3.3模拟分析
根据实验结果能够发现：在多组无人机同时飞行期间，将会形成一定的通信干扰问题。此类通信干扰问题具有可控性，以此减少负面问题对无人机作业产生的负面作用。为此，相关人员在实际运行无人机前期，应科学列举可能性发生的飞行问题，借助相关控制思想、数字化技术加以回避。在控制技术本质层面观之，无人机作为自动化技术组成的新型产物，在未来将会获得广泛的应用，有效提升现代技术联合使用效果，保障无人机性能获得增强。为此，传感器、通信技术、PID控制器，均作为无人机控制的有效方法。此外，在后续无人机控制研究中，应加强环境因素的考量，比如大气、雨天、电磁等因素，从其干扰视角，研究其控制方法，为无人机稳定运行提供更多助力。
4无人机的应用
四旋翼无人机借助其较为简易稳定的构造形式、常规性部件应用、运维便利等优势，使其制造、操作、控制等成本具有较高的经济性。与此同时，无人机在实际使用期间，行动较为灵活，具备较强的隐藏能力，获得广泛应用，在其他领域中逐渐开启使用。比如京东配送服务融合了无人机控制程序，在网络市场经济中崭露头角。同时在火灾监测、森林防护、地质复杂区域监测、失踪人员救援方案制定、遥感图像资料的有效获取等领域，无人机同样获得了有效应用。为此，加强无人机控制，提升其应用性能，尤为关键。
5结论
综上所述，小型四旋翼无人机的构造中，具有轻便、简易等特点，使其在各领域中获得了广泛应用，为相关产业与技术发展提供技术支持，发挥无人机控制技术的应用价值，加强经济效益产出，具有重要意义。
参考文献
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飞机设计,2018,38(02):7-10+15.
(上接第32页)
表1多次试验统计得出数值
初始条件平均值标准偏差中值
状态10.4760.1120.504
状态20.4840.1090.517
根据试验统计数据得出，此激光制导系统的脱靶量能够小于0.8m，保证了对2m x2m面积目标的精准打击，此数据与实际飞行统计数据较为一致，可以确定数据的准确性与有效性。此外，脱靶量样本存在的标准差较小，达成验证标准，且半实物仿真系统可信度高、重复性良好。
船舶智能焊接技术
5结语
综上所述，基于实际的任务与功能需求，在激光制导武器半实物仿真平台中明确了相应的半实物仿真系统模型；通过室内弹目几何关系与导引头的入瞳光学特性对激光照射环境研究，提升了半实物仿真环境的真实性。利用半实物仿真试验，明确激光制导武器实行打击的有效指令，提高制导与控制系统的精准度，保证半实物仿真系统的可信性与重复性。
參考文献
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24|由子制作2021年01月
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