作戰目標飛行航路注入式建模模擬試驗技術研究
引言
在高新技術的「空地一體化」戰爭中，防空作戰效能的優劣對戰役的勝負有著重大的影響。近幾年發生的局部戰爭，如海灣戰爭、伊拉克戰爭等均是從空中打擊開始，因此，世界各軍事強國更加註重防空武器的研製與裝備。
在高新武器系統定型試驗中，傳統的試驗理論和方法不可避免地遇到某些戰技指標與作戰效能無法考核、試驗樣本量與鑒定結論置信度相互制約、邊界條件無法實現、故障復現手段有限、近戰場作戰環境與逼真目標難以提供等問題。為解決上述試驗難題，作為「實彈」與「外場」試驗的有效補充手段，模擬試驗鑒定技術研究與應用的必要性顯得越來越重要。
目前，在防空反導武器系統設計定型試驗中，國內同領域已有許多專家與技術人員開展模擬試驗鑒定的研究，常用的模擬方法主要有半實物模擬與數學模擬，如在艦載武器海浪衝擊模擬試驗中使用的半實物模擬。在目標建模模擬過程中，由於注入方式具有很好的性價比，因此，有關目標特性、背景與干擾的建模模擬多採用注入式，如在紅外捕獲跟蹤設備性能考核試驗中，進行的閉環注入式模擬試驗的理論研究，以及利用注入式技術開展的紅外動態場景建模模擬應用技術研究。在目標飛行航路建模模擬技術研究過程中，多數成果集中在無人機航路規劃演算法基礎理論研究、基於目標特性的航路參數優化設計，以及採用人工蟻群與萬有引力搜索等先進演算法實現飛行航路建模與模擬。
本文針對防空反導武器系統定型試驗中，存在的作戰目標特性逼真度過低、武器系統作戰效能難以考核等試驗鑒定技術難題，提出採用數字式飛行航路建模技術、利用注入式模擬方法，實現防空反導武器跟蹤作戰效能的考核。
模擬系統設計
1.1 模擬系統組成
注入式飛行航路模擬系統設計為基於CAN匯流排的分散式測量控制系統，具有良好的環境適應性，可按用戶要求自動完成標準信號與飛行航路信號的生成與傳輸，並可按被試武器系統具體需求進行握手通訊。該系統能滿足各種型號武器系統數據格式與通訊方式不一致的試驗測試要求，具備較強的通用性與可擴展性。系統結構框圖如圖1所示。
圖1 飛行航路模擬系統結構框圖
注入式飛行航路模擬系統主要由上位機、前端機與通訊網路三部分組成。圖1中虛線框部分為被試防空反導武器系統炮控計算機與按照計算機指令驅動火炮運轉的火炮隨動系統。
上位機選用研華主流工業控制計算機。通訊網路採用典型的CAN匯流排，信號傳輸介質為大於50 m的雙絞線，長距離傳輸是為了保障被試武器系統射擊時操作人員的安全性。
前端機硬體部分主要分為五大部分：微處理器系統、前端機與上位機介面電路、前端機與典型防空反導隨動系統介面電路、時統信號發生器、系統電源以及前端機箱。前端機系統功能框圖如圖2所示。
圖2 前端機系統功能框圖
1.2 模擬系統工作原理
在防空反導武器系統設計定型試驗中，模擬系統主要用於替代真實飛行目標，生成典型航路，驅動火炮完成實時目標跟蹤，並在適當時機控制火炮實施射擊，最終檢驗武器系統跟蹤與射擊精度，為被試武器系統能否定型提供技術依據。
預先建立的飛行航路模型以函數形式封裝於前端機，前端機既可以受控於上位機工作於遠程遙控狀態，又可以單獨工作與本地狀態。射擊試驗時，全系統必須工作於遙控狀態，模擬系統工作參數由上位機下裝到前端機，啟停指令亦有上位機發出。
典型飛行航路模型建立
一般而言，標準航路信號可分為：水平等速直線航路、水平等加速直線航路、等速下滑（俯衝）航路、等加速俯衝航路和水平等速盤旋航路等5種基本類型。由於文章篇幅所限，本文僅以水平等速直線與水平等加速直線二種航路為例，給出模型建立方法與模擬結果。
2.1 坐標系選取與參數定義
水平直線航路包括水平等速直線航路和水平等加速直線航路，其在大地坐標系下的航路示意圖如圖3所示。
圖3中，PS為航路起始點，P′為航路起始點在水平面上的投影，Pa為目標加速點，Pj為捷徑點，Pe為航路終點，G為地面火炮的位置，l為飛機的航線，虛線l′為航線在水平面上的投影。取G點為坐標原點，x軸位於水平面內指向北，y軸垂直於水平面向上，z軸垂直於x軸指向東，建立G-xyz坐標系。
水平直線航路模擬信號建模的參數有以下幾種：
?起始航路s(m)：目標運動開始點至火炮的橫向距離。等速直線和等加速直線航路是經過起始點Ps→捷徑點Pj→到終點Pe的運動軌跡，即目標從s米開始運動，經航路捷徑點後到達s1米停航；
圖3 水平直線航路示意圖
?航路終點s1(m)：目標運動起點至火炮的橫向距離；
?加速航程la(m)：目標等加速運動開始點至火炮橫向距離；
?加速運動時間T(s)：目標做加速運動的持續時間；
?航路高度h(m)：目標到炮口水平面的垂直距離；
?航路捷徑l(m)：火炮至航路投影的垂直距離；
?目標初始速度v(m/s)：目標飛行速度，對於盤旋航路指的是目標的線速度；
?目標運動加速度a(m/s2)：目標做等加速度飛行時的加速度；
?航位角θ(mil)：在目標位置，以北為準，順時針轉到目標飛去的方向在水平面上的夾角，確定目標在水平面內運動的方向。
2.2 關鍵節點模型建立
依據圖3給出的航路坐標及某些參數，可建立水平直線航路模型關鍵點坐標函數。式（1）為起始點坐標，式（2）為加速點處坐標，式（3）為加速終點處坐標。
(1)
(2)
(3)
2.3 水平等（加）速直線運動數學模型
在G-xyz坐標系下，目標做水平等速直線運動時，其飛行航路模型如式（4）所示；目標做水平等加速直線運動時，其飛行航路模型如式（5）所示。
(4)
(5)
其中，
基於Matlab的模擬分析
3.1 模擬的程序實現
根據水平航路信號的數學模型，應用Matlab進行編程，取水平直線航路模擬初始參數為：
s=5000; %起始航路
s1=-3000; %航路終點
l=200; %航路捷徑
la=4000; %加速航程
h=1000; %航路高度
v=200; %目標初始速度
a=0; %目標運動加速度
T=10; %加速運動時間
theta=5/4*pi; %航位角θ(mil)
此時，目標運動加速度大小為0，做等速運動，得到水平等速直線航路模擬信號如圖4所示。
圖4中，頂圖為飛行航路空間軌跡，中間圖為火炮方位系統跟蹤角度曲線圖，底圖為火炮高低系統跟蹤角度曲線圖。
圖4 水平等速直線航路模擬
當目標運動加速度大小取a= 10時，目標做水平等加速直線運動，得到的航路模擬信號如圖5所示。
圖5中，頂圖為飛行航路空間軌跡，中間圖為火炮方位系統跟蹤角度曲線圖，底圖為火炮高低系統跟蹤角度曲線圖。
圖5 水平等加速直線運動航路模擬
3.2 航路注入信號模型
在防空反導武器系統定型試驗中，需要提供方位跟蹤系統與高低跟蹤系統雙通道注入信號。依據上述幾種典型飛行航路模型，可以確定模擬系統控制火炮隨動系統驅動火炮跟蹤目標時的運轉模型，方位系統的跟蹤運轉模型如式（6）所示。
(6)
高低系統的跟蹤運轉模型如式（7）所示。
(7)
上述模型均安裝於模擬系統的前端機中，調試試驗時，可將前端機置於本地工作模式，所有操作可在前端機面板上完成。正式試驗測試時，模型參數由上位機通過通訊網路下傳到前端機，前端機的啟動與停止控制亦由上位機控制。火炮隨動系統角位置量反饋信號由前端機接收、處理，每次試驗結束後，前端機發出的信號與接收的火炮位置信號需傳到上位機，完成本次試驗的數據報表與存檔。
結論
本文針對防空反導武器系統試驗與鑒定中存在的技術難題，提出了將建模模擬方法作為實彈射擊試驗的有效補充手段引入到武器系統實際定型試驗中，文中給出了水平等（加）速飛行航路的數學模型，應用Matlab進行編程模擬，研究結果表明，採用注入式模擬方法可以替代真實飛行目標，達到預期的試驗目的。
本文研究中，還分別建立了等速下滑（俯衝）航路、等加速俯衝航路和水平等速盤旋航路的數學模型，同時，還利用幾種典型作戰飛機的實測飛行數據，建立了實飛航路模型庫。由於論文篇幅有限，上述飛行航路模型沒有一一列出。
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