图像类制导导弹半实物仿真平台总体设计优化

1.基本功能要求

图像类制导弹半实物仿真平台的基本功能要求如下：

(1) 为各种用于图像制导类弹药导引头上的目标识别与跟踪算法提供试验支持。 在现实中， 导引头持续高速旋转， 得到的图像质量不高， 需经过消旋消抖、 图像增强等处理才能进一步做识别和跟踪处理， 这样的图像与通过计算机产生的目标图像有很大不同。 因此， 需要产生与实战更为贴近的目标视频场景。

(2) 制导弹控制软件相当于制导弹的“大脑”， 应该尽可能地提高控制软件的可靠性。 以该平台为测试环境， 检测控制软件在各种情况下的运行状况和结果。

(3) 验证制导弹外弹道控制模型的准确程度， 为改进制导弹外弹道模型控制模型提供仿真试验数据。

(4) 对高速旋转中的制导弹导引头里的各种集成电路分别进行不同的测试。 在高速旋转和振动下， 这些集成电路很有可能出现工作不正常的情况，因此， 该功能对于确保图像制导类弹药导引头在实战环境下正常工作有着重要意义。

2.系统组成

图像类半实物仿真系统一般由目标仿真系统、 空中陀螺稳定平台、 仿真控制系统、 多通道投影系统、 制导弹多功能测试转台、 图像制导类弹药导引头、 图像跟踪器、 无线电双向传输装置组成， 如图4 -1 所示。

3.各部分的基本构成与功能

1) 目标仿真系统

由多台计算机联网组成的虚拟目标场景产生系统， 内建三维场景， 能高度逼真地显示高地、 丘陵、 平原、 海面等地形环境及不同的天气情况， 在场景中可添加坦克、 地堡等众多典型军事目标， 包含若干个制导弹的三维模型。底层利用Vega Prime 2.01 和OpenGL 平台进行驱动， 可以实时模拟出弹丸飞行的全过程(如当前弹丸姿态、 舵机抖动情况、 即时绘出弹道等)， 能从不同角度、 不同位置动态地观察场景中的任意部分， 还可以通过不同的通道在任意尺寸的窗口中显示。 运行时， 通过数字接口实时接收制导弹的当前姿态数据， 实时生成两路视频信号： 一路视频信号显示弹载摄像头正前方所拍摄到的目标场景图像， 该路信号具有足够的分辨率和对比度， 通过多通道投影系统投影到大屏幕上， 形成目标仿真场景， 如图4 -2 所示； 另一路视频信号显示弹丸的飞行弹道和各类参数， 通过多通道投影系统投影到宽体屏幕上， 形成弹丸飞行场景， 以仿真电视制导弹为例， 如图4 -3 所示。

图4-1　图像类半实物仿真系统框图

图4-2　目标仿真场景

图4-3　弹丸飞行场景

2) 制导弹多功能测试转台

如图4 -4 所示为制导弹多功能测试转台， 该转台主要由机械台体、 测控柜、 计算机系统3 部分组成， 整个设备采用计算机集中控制的电控方式来实现。 计算机系统采用高速采集和高速控制方案， 采用双CPU 并行工作， 实现高分辨率、 高精度的三轴同转， 可进行高动态测量精度、 实时数据输出。 对转台的控制， 既可以单独控制， 也可以通过串口远程控制。

图4-4　制导弹多功能测试转台

如图4 -5 所示， 利用特制紧箍罩将图像制导类弹药导引头固定在台体的内框上， 用插盘和特制的导线将导引头上的电路与外部设备连接， 既可以对其提供电源、 控制信号， 又可以引出和测试其集成电路信号。

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图4-5　转台上用于信号传输的插盘

3) 仿真控制软件

仿真控制软件包含制导弹动力学、 运动学等模型， 能对地面控制工作站传来的控制信号实时解算， 输出制导弹和目标的各种参数数据， 实时控制参试制导部件与各模拟器工作， 同时实施对整个仿真系统的管理与调度。

4) 地面控制工作站

地面控制工作站一般包括地面图像接收机、 图像采集处理系统和无线电接收/发射系统。 如图4 -6 所示， 弹载电视获取设备把目标区图像以无线方式发送到地面站， 地面站主要完成无线电信号的接收与解扩、 图像的消旋与增强、 目标识别与跟踪、 指令的计算和发送等工作。

图4-6　地面控制站组成示意

5) 空中陀螺稳定平台

空中陀螺稳定平台是用飞艇搭载的特定的任务设备， 升到高空， 长时间地悬浮在某一个固定位置， 利用陀螺使该任务设备保持稳定。 利用该平台携带摄像机， 以一定的俯仰角， 从不同的水平方位角拍摄预定的军事目标(如坦克、 车辆和导弹等)， 其图像则由无线电发回地面。 以这些图像为素材， 建立逼真的三维虚拟目标。

6) 多通道投影系统

多通道投影系统主要由Visionstar大屏幕融合处理器(图4 -7)、 三台投影机和两个投影幕布构成， 如图4 -8 和图4 -9 所示。 该系统实时地将目标仿真系统生成的目标场景视频投射到右边墙壁的投影布上， 将弹丸飞行场景经融合处理后投影到左边墙壁的投影布上。

图4-7　Visionstar 融合处理器

图4-8　两台投影机和大尺寸宽屏

4.工作原理与过程

利用空中陀螺稳定平台在1 000 ～2 000 m 高空对目标进行拍照， 将所得的图片及影像资料按照比例运算， 运用Creator 图形建模软件进行模拟目标场景建模， 并将Creator 软件制作好的坦克、 飞机等目标按照比例放入目标场景。

图4-9　右边墙壁上的幕布与投影机

虚拟弹丸发射时， 首先由仿真控制软件发出控制指令， 令图像制导类弹药导引头高速旋转， 再根据虚拟弹丸的初始空间位置和姿态， 将其传给目标仿真系统， 目标仿真系统生成目标仿真场景和弹丸飞行场景， 通过多通道投影系统投影到两个大屏幕上， 导引头从目标仿真场景摄入目标模拟图像信息，通过转台内部的视频线传给地面控制工作站， 同时三轴转台输出视线姿态角信号并反馈给地面控制工作站， 地面控制工作站根据所接收的图像， 按照预先设计的控制模型对其进行制导， 并将制导指令通过串口通信反馈给仿真计算机， 仿真计算机通过弹体运动数学模型解算出下一时间的姿态角(俯仰角θ、 偏航角φ、 滚转角φ) 信号， 将这些信号输送给三轴转台的伺服系统， 在空间实现末制导炮弹的变化， 完成地面控制工作站对制导炮弹的地面控制，同时获取下一时间的图像信号， 并继续进行控制， 如此反复， 直至弹丸飞行落地。

在这一过程中， 将32 路存储仪通过三轴转台滑环接入图像制导类弹药导引头， 使其在整个飞行控制过程中检测并存储其内部电路板的工作状态。

由仿真控制软件、 目标仿真系统、 制导弹多功能测试转台和地面控制工作站共同构成了完整的半实物仿真回路。 基于该平台， 不仅可以对该回路中的任何一部分进行单独测试， 还可以对整个系统进行联调。