1、导弹运动轨迹模拟器设计张宁微，史震，张磊，荆丽秋（哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨 150001）摘要：载体运动轨迹模拟器作为航空仿真模拟设备，在飞机、导弹、舰船、潜艇等载体的研制过程中起着极其重要的作用。作为载体运动轨迹模拟器的一部分，导弹运动轨迹模拟器模拟出了导弹载体的典型运动轨迹，产生了姿态运动模拟所需的角度、角速率等角运动控制信息，这些信息提供给了六自由度运动模拟试验台，使其完成运动模拟控制。该模拟器主要讨论的是轨迹信息运算部分，根据导弹的运动参数及气动力建立运动方程，然后给定控制规律，使导弹在每一个控制时间段上能稳定的按照给定的俯仰角、偏航角、加速度、平飞高度等动作，最后在 VC+环
2、境下编程并调试控制参数。通过在 VC+环境下编辑程序，得到的数据信息与理论值相比达到了设计要求，满足了导弹轨迹的模拟效果。关键词：导弹；轨迹；模拟器；控制界面Design of the Missile Track SimulatorZHANG Ning-wei, SHI Zhen，Zhang Lei，JING Li-qiu（Department of automation, Haerbin Engineering University, Haerbin 150001,China）Abstract：As the equipment of the aviation simulation, the
3、carrier motion track simulator played a important roll in the research of flight, missile, ship and submarine. As a part of the carrier motion track simulator. missile track simulator simulated the typical track and produced the needed angle and angular speed of attitude motion simulation. These inf
4、ormation made the six degree of freedom simulating test bed completes the control of motion simulation. The main part of this simulator is the track information resolve module. The design establishes motion equation based on flight motion parameter and aerodynamic. Then sets the control law, making
5、the missile act at the given pitch angle, yaw angle, acceleration and height in every time segment. At last it debugs the control parameter at the environment of VC+. The datas satisfies the theoretical values, and reaches the requirements of the design. Key words: missile; track; simulator; control
6、 interface1 引言在飞行器地面物理仿真过程中，转台将来自主控计算机的指令转化为敏感器件可感知的空间运动，在实验中起着重要作用。而载体运动轨迹模拟器为其提供了所需的数据信息。因此，轨迹模拟器的设计尤其重要，载体运动轨迹模拟器主要有运动轨迹模拟、产生角运动控制信息和典型运动信息数据库三种功能。根据舰船、潜艇、飞机等载体的运动特性，建立各种运动方式下的数学模型，模拟载体的典型运动轨迹，用于产生不同载体在不同运动条件下的各种惯性导航信息数据，包括位置、速度、姿态、加速度、加速率、加加速度和角加速度等。并能按照六自由度运动模拟试验台的数据接口要求，产生姿态运动模拟所需的角度、角速率等角运动控制
7、信息。 这里的导弹运动轨迹模拟器是载体运动轨迹模拟器的一部分，导弹是通过其他载体发射出去的。本设计的作者简介：张宁微（1980） ，女，吉林省长春市，硕士研究生，研究方向：检测技术及自动化装置目的是使用户能通过在控制界面对发射后的导弹在不同时间段内的控制参数的修改，来模拟导弹在空中飞行的各种姿态，包括俯仰、偏航、加速度、高度控制等，模拟出典型轨迹，并将得到的数据信息提供给试验台，用以完成对惯性器件进行测试和飞行仿真。2 模拟器总体设计导弹运动轨迹模拟器包括轨迹模拟计算机和轨迹模拟软件两大部分。轨迹模拟计算机由便携式工控机加上通讯卡板组成。导弹运动轨迹模拟器软件包括运动轨迹参数设置、轨迹信息运算
8、、轨迹曲线显示（包括轨迹运算数据实时显示和历史数据回放） 、轨迹数据存储、通讯接口等基本模块。软件设计具有良好的可视图形用户界面，支持鼠标操作，并尽量多的对用户开放软、硬件资源，考虑了用户进行二次开发的可行性和方便程度。这里主要介绍的是导弹运动轨迹模拟器软件部分的设计。其中轨迹信息运算模块是设计的重点。软件结构示意图如下：轨迹模拟器软件轨迹参数设置轨迹信息运算轨迹曲线显示轨迹数据存储通讯接口图 1 软件结构示意图3 轨迹参数设置模块的设计轨迹参数设置模块可以对载体类型、导航初始参数、数据更新周期、数据存储要求、运动方式、运动时间等进行设置，且具有参数存储和读取功能。图 2 是设计的主控制界面，
9、通过该界面可以设置载体的类型，绘制曲线，控制通讯接口等。在这里载体类型可以任意的选择飞机、潜艇、舰船中的一个，而本设计是设计由这些载体所携载的导弹在空中的各种姿态，也就是选择任意一个载体（这里以选择飞机为例）之后会出现图 3 这种界面，图 3 中其他的设置都是用来设置飞机的控制参数的，点击最后一行中的导弹初始参数设置按钮就会出现图 4，对导弹的参数进行设置。通过这个界面可以设置导弹的飞行区段时间点，飞行区段偏航角、俯仰角、高度、加速度等。图 2 载体运动模拟器控制界面图 3 飞机运动轨迹模拟器参数控制界面图 4 导弹运动轨迹模拟器参数控制界面4 轨迹信息运算模块的设计轨迹信息预算模块根据导弹的
10、数学模型进行轨迹信息解算。该模块的设计首先根据导弹的运动参数及气动力建立运动方程，并进行线性化处理，编程，并在 VC+的环境下改变控制参数来调整系统，使导弹在各个飞行状态稳定。导弹在每一个控制时间段上能按照控制要求进行俯仰、偏航、加速度、高度控制等动作。得到实验数据，分析结果，验证该模拟器能否按照控制要求稳定的模拟出导弹的飞行过程。4.1 导弹动力学建模导弹运动学方程组是描述作用在导弹上的力和力矩与导弹运动参数之间关系的一组方程。它由描述导弹质心运动和弹体姿态变换的动力学方程、运动学方程、导弹质量变化方程、角度几何关系方程和描述控制系统工作的方程所组成的。1、 导弹动力学方程（1）导弹质心运动
11、的动力学方程选择弹道坐标系研究导弹质心运动的动力学问题。 VVVZYPmggXmcossin)cosini(nicosV：速度； ：弹道倾角； ：弹道偏角； 速度倾斜V角； P 推力； X：阻力 Y：升力； Z：侧向力。（2）导弹绕质心转动的动力学方程 选择弹体坐标系研究导弹质心运动的动力学问题。对于轴对称型导弹，弹体坐标系的各轴就是导弹的惯性主轴。此时导弹对弹体坐标系各轴的惯性积为零。xzyzxyxzxyzyzdJJMtdJJt， ， 分别为作用于导弹上的所有外力对质心xMyz之力矩的在弹体坐标系各轴上的分量。如果推力矢量于 轴重合，则只考虑气动力矩就可以了。P1O2、 导弹运动学方程研究导
12、弹质心运动的运动学方程和绕质心转动的运动学方程，其目的是确定质心每一瞬间的坐标系位置以及导弹相对地面坐标系的瞬时姿态。1.导弹质心运动的运动学方程：Vdtzytdxsincos2.导弹绕质心转动的运动学方程：)sinco(tancs1sizyxzydtt：俯仰角； ：偏航角； 滚动角；、 、 ：导弹相对地面坐标系转动角速度分离xyz分量。4.2 导弹运动学建模为了研究方便，现将导弹的运动分解为纵向运动和侧向运动。对于轴对称导弹，纵向通道和航向通道的设计基本一致，所以只对导弹纵向平面的运动方程和传递函数进行推导。在推导纵向平面运动方程之前，对射程不大的导弹，假设：1.不考虑弹体壳体的弹性和使用液
13、体燃料在贮存箱内的晃动，即认为导弹为刚体。2.利用固化系数法。导弹在实际飞行中，由于燃料的燃烧，引起导弹质量、转动惯量 zJ、发动机推力 P的变化，且随着导弹飞行高度的变化，大气密度 在变化，重力加速度 g也在变化，所有的这些变化的量，将使得导弹模型中的系数变化。因此为研究方便，选取导弹飞行过程中几个代表性的特征点，在这些特征点上不考虑扰动过程中导弹质量、惯性矩、与高度有关的大气密度、重力加速度和发动机推力的变化，进行参数固化。3.导弹在短周期内飞行中受到的扰动是小扰动。一、 导弹的纵向运动导弹的纵向运动只涉及纵向的运动参数和气动力，又由于习惯于用速度坐标来表示空气动力，所以用速度坐标系建立纵
14、向运动一般方程，以此推导纵向小扰动线性运动方程，这与用稳定轴系得到的纵向小扰动运动方程一致。描述导弹纵向运动的方程组为：cossinincocosinzzzzcdVmPXmgtYJMdtxVytdmt其中： P 为发动机推力； X 为阻力； Y 为升力；为俯仰力矩。zM二、 导弹的横侧运动导弹横侧运动包括滚转、偏航和侧移三个自由度的运动。其侧向小扰动线性方程： 0cos)cosininsin(cosii )si(tacoincos)( cos)incs(sin)i(cos32V VVzyxVyzxzyx VVVwdttdMJwJt ZPYPdm4.3 控制规律a、纵向通道控制规律：（1） 俯仰
15、角控制：cek式中： 升降舵偏角； 俯仰角；给定俯仰角c俯仰角控制是让导弹按照给定的俯仰角 进行爬升，c为垂直陀螺，只要合理的选择 就能使导弹具有良kk好的动态性能，完成俯仰角控制要求。（2） 高度保持： dtHkHktcce 0式中：H高度； 给定高度高度保持的任务是控制导弹在某一恒定高度上飞行，在之前调试的 基础上，进一步调试 ，使导弹按照kHk给定的高度 飞行。cb、侧向通道控制规律：（1） 航向保持： cak式中： 偏航角； 给定偏航角；c使导弹按照给定的偏航角 飞行。调试 是飞行k稳定。c、加速度控制通过控制界面给定要求的加速度，使导弹按照给定的加速度作加速或减速运动。4.4 程序设
16、计使程序运行在 VC+环境下，给定的时间区间、俯仰角、偏航角、加速度、高度等都存入一个文件，当控制参数赋值完毕则读入该文件的数据，开始对导弹进行控制。输出的数据存入另一个文件，作为惯性导航信息数据。应注意的是，此程序是与其他载体的程序配合起来的，即导弹发射所用到的参数，都由其他载体把同一时刻相应的参数传递过来。传递过程应注意参数的一一对应和参数类型的转换等。程序流程图为：给导弹气动参数，弹体参数，控制参数赋值No从读入文件读入参数和数据利用龙格扩塔法计算下一时刻状态值，并调用 rfuna 函数推进仿真步长结束Yes在输出文件 dao.dat 中写入一组数据仿真时间到否？打印时间到否？ NoYe
17、s判断处在哪个飞行区段，按相应区段轨迹要求产生控制指令A图 4 软件程序流程图5 轨迹曲线显示模块轨迹曲线显示模块能显示指定导航参数（可以人工设置）的数据曲线，刷新周期可设置，且最小刷新周期不大于 1s，具有曲线图形存储功能和历史数据回放功能，并且具有曲线打印功能。6 轨迹数据存储模块轨迹数据存储模块可以根据用户设置的数据存储周期、内容和格式等要求进行数据存储，并具有打印功能。7 通讯接口模块的设计当控制系统中各微机相距较远时，一般采用串行通信方式而不采用并行通信方式。这是因为并行通信系统的造价较高、众多的连线不仅容易引入干扰，也容易发生线路故障。在开发微机测控系统的过程中，我们经常需要通过
18、RS 一 422 串行接口接受外部设备传递的实时采集数据。这里采用的通讯接口就是具有两路标准 RS-422 串行异步智能通讯接口，可用于接收控制指令，也可用于数据通讯。8 结论介绍了导弹运动轨迹模拟器的总体设计思想，主要讨论了轨迹信息运算模块的设计。对于该模块，文中首先根据导弹的运动参数及气动力建立运动方程，其次设定了导弹的控制规律，按照控制规律的要求在不同的时间段里对飞机的俯仰、偏航、高度、加速度进行控制。最后在 VC+环境下通过编程完成模拟。模拟得出的数据结果表明，设计完成了任务要求，很好的模拟出了导弹运动轨迹并可以通过数据接口把得到的角运动的信息传递给六自由度运动模拟试验台，用以完成对惯性器件进行测试和飞行仿真。参考文献：1张明廉.飞行控制系统M.北京：国防工业出版社,19842方振平.飞机飞行动力学M.北京：北京航空航天大学出版社，20053王宗学.飞行器控制系统概论M.北京：北京航空航天大学出版社，19944钱杏芳，林瑞雄，赵亚男. 导弹飞行力学M. 北京：北京理工大学出版社，20005孙磊,杨小军,彭伟.仿真转台计算机控制系统的设计与实现J. 弹箭与制导学报,2007,27(3)：226-228.
