导弹大型技术训练模拟系统设计方案

导弹大型技术训练模拟系统设计黄先祥张志利颜祖泉张毅摘要导弹大型技术训练模拟系统综合运用多学科的先进技术，建立了数十个数学、物理和网络模型，研制出上百台仪器设备，实现了导弹全武器系统、发射全过程的模拟。

本文主要介绍系统的功用、组成、简要技术方案和几个主要技术问题。

关键词导弹训练模拟飞行仿真坐标变换液压系统Design of the Large-Scale TechnologyTrainingSimulation System for MissileHuang Xianxiang Zhang Zhili Yan Zuquan Zhang Yi The Second Artillery Engineering College,Xi'an 710025 Abstract A large scale technology trainingsimulation system for missile adopts the advanced technologies in many subjects, in which dozens of mathematical models, physical models and network models are setup, hundreds of instruments are developed and the whole weapon system and whole launching process simulation for a missile has been achieved. This paper mainly introduces the functions, the components, the compendious technical scheme and some key technology problems of the simulation system.Keywords Missile Training simulation Flight emulation Coordinate transformation Hydraulic system引言异弹武器系统高技术密集，操作动作多，协同面广，作战运用复杂，需大量反复地进行操作训练。

而导弹是一次性使用武器，利用实弹发射进行训练的机会极少，就连利用实装进行操作，也由于武器系统价格昂贵、使用寿命短、安全性差、耗资大等原因的限制，使利用实装进行操作的次数受到严格限制，存在着训练需反复操作，实装保证困难的突出矛盾。

为此，研制训练模拟系统代替实装进行操作训练是十分必要的，对于促进军事训练手段的现代化具有重要意义。

1 系统的功用和组成1.1 功用(1> 操作训练功能。

能代替实装进行各工位的操作训练，在仪表显示、音响、视景和力感等方面都与实装相同，而且还具有对系统进行自动检测、故障设置与诊断、操作示范教案、训练成绩评定等多项功能。

(2> 作战应用技术决策训练功能。

可进行射击可能性分析、火力计划拟制、诸元计算、飞行过程模拟、打击效果评估等项训练，并为发射技术决策提供科学依据。

(3> 科学研究功能。

利用该系统可进行作战应用研究、新型号武器方案论证以及其它科研工作。

1.2 组成如图1所示，该系统由发射阵地、技术阵地、作战应用技术决策三大部分11个分系统组成。

图1 导弹全武器模拟系统组成框图2 简要技术方案2.1 发射阵地模拟部分发射阵地模拟部分包括发射训练车、瞄准模拟、垂直测试模拟和弹头引控模拟四大部分，如图2所示。

发射训练车采用实物半实物仿真，它由牵引车、拖车、电控、液压、发射装置五部分组成，完成对导弹的起竖、调直、回转等项任务，同时又是弹头、控制、瞄准模拟弹上部分的安装平台。

弹上控制仪器模拟器主要是模拟弹上计算机、姿态稳定系统、制导系统、安全系统、电源系统的各项性能参数向地面各测试设备发送信号，从而完成垂直测试模拟的任务。

弹上瞄准模拟平台能模拟平台的转动，向地面瞄准设备返回光电准直信号，与地面瞄准模拟器配合，完成瞄准全过程的操作训练任务。

弹上弹头引控模拟器与地面弹头监控模拟器共同完成对弹头参数的测试、参数装订任务。

图2 发射阵地模拟部分简图2.2 技术阵地模拟部分技术阵地模拟部分由单元测试、水平测试、弹体发动机、超声波自动探伤、弹头、弹头引控模拟六个分系统组成，如图3所示。

水平测试弹上模拟器主要模拟平台系统、速率陀螺仪、横法向加速度表等弹上仪器的性能参数，通过配电转接箱送至地面模拟器，模拟对导弹控制系统进行水平测试时的情况。

单元测试模拟系统采用计算机仿真方案，模拟弹上仪器单台测试时的性能。

弹体发动机模拟系统是由弹上和地面两部分组成，采用实物仿真与计算机模拟相结合的方案，用来模拟保险机构、火工品等的测试情况以及弹体的分解再装操作。

超声波自动探伤系统主要用于对弹体的探伤训练。

弹头模拟主要用于装配训练，引控模拟采用计算机与红外收发技术有机结合实现对高频引信机的仿真。

图3 技术阵地模拟部分简图2.3 作战应用技术决策训练模拟部分如图4所示，它由资料收集与处理、火力计划拟制、模拟飞行、打击效果评估等部分组成，主要用于作战应用和技术决策方面的训练。

图4 作战应用技术决策训练模拟部分原理框图3 几个主要问题3.1 飞行模拟中的坐标变换导弹飞行模拟过程是根据实际发射条件，在计算机及图形图像处理系统上实现的，其关键所在是如何根据实际发射条件进行实时弹道解算，生成立体感较强的弹道图形，然后再根据实际参数形象、直观、逼真地模拟出导弹的飞行过程。

由于导弹在实际飞行中，其姿态每时每刻都在发生变化，为使屏幕图形客观地描绘导弹实际飞行状态，则必须进行一系列的坐标变换。

此外，在计算机图形设计中，利用图形几何变换不仅可以节省图形数据的准备时间，而且可以用一些简单的图形组成相当复杂的图形，可用一些平面图形反映立体图。

应用几何变换的方法，也可以使静态图形按一定的规律运动，使其变为动态图形。

导弹在实际飞行过程中属三维空间六自由度运动，它不仅有导弹的质心运动，而且还有绕其质心的转动，所以在其坐标变换中，必须根据导弹实际运动参数，进行平移、缩放和旋转变换，才能在屏幕上真实地反映出导弹的飞行过程。

其变换方法是：设二维直角坐标系的一点<x,y），经各种变换后，得到新的坐标(x′,y′>，则其在齐次坐标系下的矩阵表达式为：［X′Y′1］=［X Y 1］TSR其中：为平移变换矩阵。

Tx，Ty分别为X，Y方向上的平移量。

为变比知阵。

Sx，Sy分别为X，Y方向上的比例系数。

为旋转变换矩阵。

θ为旋转角，逆时针时为正，顺时针时为负。

则组合变换矩阵TSR为：在进行坐标变换过程中需要注意导弹图形经旋转变换后的变形情况。

由于在屏幕显示方式下其象素点为基本图形单位，高分辩率大屏幕的分辩率为1024×1280，所以在图形旋转时，需要进行取整处理。

如果按旋转后所得的坐标值确定图形大小与形状，就会出现旋转后与旋转前的图形略有差别，即不相吻合，其主要原因是图形外形与图形面积不等。

在实际作图时要想绝对保证这两点不变是很困难的，由于图形大小偏差很小，故可忽略不计，而变换后边长的变化所引起的图形变形则必须加以考虑，否则会出现边界不规则。

实际设计中，在图形旋转时对其外形坐标进行了优化处理，给出了两个约束条件，从而保证了相邻边长比和夹角的不变，其具体表达式为：ai/bi=ciαi=βi其中：aibi为旋转后相邻两边之长度；ci为旋转后相邻两边长度之比；αi为旋转后相邻两边之夹角；βi为旋转前相邻两边之夹角。

3.2 高频引信机的仿真在弹头引控技术阵地模拟系统设计中，为了避免无线电引信机工作时辐射的微波能量对操作人员造成的伤害，同时也为了排除周围环境无线电磁波对发射频率的干扰以及杜绝操作时无线电引信调制频率的外泄问题，系统采用红外收发技术加数字仿真技术实现了对引控系统无线电引信机开环和闭环测试的仿真模拟。

其基本结构原理如图5所示。

该模拟系统的控制核心是一个80C31单片机，其上的内部计数器对模拟回波信号进行计数，代替实装中回波的重复计数，当计数器计数到预定高度时，由单片机给出无线电引信触发信号，实现了真正意义上的无线电引信机全数字仿真模拟。

图5 高频引信机模拟系统结构原理框图3.3 起竖过程中压力和流量变化曲线的仿真在发射训练车起竖架起竖过程中，由于负载的变化和多级油缸的截面积不同，因此液压系统的压力和流量是不断变化的。

同时，为了防止多级油缸各级到位时发生冲撞，在换级时需减速运行，因此在起竖过程中液压系统压力和流量的变化是很复杂的，需要根据起竖角度的大小，实时地控制压力和流量，以确保平稳、安全运行。

系统中压力P和流量Q 随起竖角度的变化曲线如图6所示。

图6 起竖过程中压力、流量变化曲线在液压系统设计中，如采用传统方案，其压力和流量变化难以满足理论要求，采用专用凸轮结构虽可实现，但却存在着造价昂贵的不足。

发射训练车中液压系统采用了全新的设计方案，即电液比例控制，利用计算机控制系统中的压力和流量，不仅实现了与理论曲线的充分拟合，而且还可适用于其它系统，具有良好的推广价值。

如图7所示，起竖过程中，计算机通过A/D采集到起竖角度的变化，产生控制信号，由D/A输出，并经电比驱动电路调理，控制电比调压阀和电比调速阀，从而控制系统的压力和流量。

整个控制过程由软件自动实现，在不同转角段选择一定的压力和流量，在平滑段选择的点较少，而在A、B、C三个位置时增加选择点的密度，这样就较好地拟合了压力和流量变化的理论曲线，实现了平稳的自动起竖控制，达到了逼真模拟起竖过程的目的。

图7 起竖过程压力和流量控制原理框图4 结语导弹大型技术训练模拟系统采用了数学和物理模拟、计算机仿真、实物半实物仿真等多种手段，实现了头、体、地全武器系统，从打击可能性分析，到火力计划拟制，测试、发射、飞行模拟、落点预报等发射全过程的仿真，在训练的时间、空间、内容和决策层次上比实装有很大的扩展，在大型液压系统设计、步进电机超高精度细分、复杂电器系统的电磁兼容、惯性仪表的仿真等方面取得了新的突破。

目前该系统已提交部队和院校使用，系统性能稳定，使用方便，仿真性好，得到用户的好评，促进了训练手段的现代化。

作者单位：第二炮兵工程学院，西安710025参考文献1 Zhang Boding, Cao Tingzao. Flight Simulation Technology and Flight Simulator Industry. Proceedings of the 3rd Beijing International Conference on SSSC, October 1995: 39～43.2 Ialob A. A Cost Efficiency Oriented Model for Romanian Made Helicopter Simulator. Proceedings ofthe 1st CISS Conference, Zurich, August 1994: 22～26.本文收稿日期：1998-03-09。