浅析空战飞机仿真系统的开发

1引言

作战武器可视化仿真通过三维武器模型和场景结合的数学模型,直观地仿真战场环境和双方攻防对抗的过程,在新式武器的研制和装备、作战指挥仿真、武器的使用培训等方面都有广泛的应用[1]。特别是在网络化条件下的多机编队协同空战,需要有能够完整仿真战机编队协同、目标探测及武器打击全过程的空战任务可视化仿真系统。对于武器作战应用和协同对抗的仿真而言,需要仿真系统能够较好地兼容多种武器模型,并易于增减、替换模型种类。对行运动、姿态解算、控制计算,本案采用了十分成熟和普及的Simulink进行数学建模,与传统方法使用高级语言编制相比,建立系统动态模型更为迅速便捷,通用性十分好,有非常多的成熟方案可以借鉴和利用,对于工程的发展和延续十分有利。而FlightGear是已经构建好的开源的飞行仿真软件,可以省去了开发过程中繁琐的底层程序编制,只模拟座舱的组成见图2,ADAM5000TCP是一款研华公司生产的PLC,共有8个插槽,可以安装6个数字IO组件和2个仿真IO组件,每个数字IO组件上有16路输入输出端子,能够读出共96个电门状态;每个仿真IO组件上有8路输入输出端子,可以处理16个电位器或传感器送来的仿真电压信号。读出的数据经LAN网络TCP/IP通信协议传送给服务器。

2系统设计飞行仿真系统包括硬件部分(实物或半实物)和软件部分,硬件部分包括了运行软件系统的计算机、作为操作输入设备的模拟座舱、用于显示的显示器或投影仪等视频输出设备。软件部分一般包括飞行力学运动解算、三维场景生成、特殊效果、场景驱动和数据收发等。程序根据用户操作对飞机的位置、姿态信息进行解算,驱动视景仿真模块。

2.1仿真系统硬件结构硬件结构如图1,整个系统运行于两台计算机上,一台(服务器)用于运行仿真系统,运动方程解算,依靠Matlab强大的数值计算功能和良好的接口条件连接模拟座舱硬件,仿真真实飞机上的任务计算机;另一台(图形工作站)运行视觉仿真系统,依赖虚拟现实技术完成三维可视化重现,一方面生成地形和天空环境,一方面计算显示平显(HUD)和下显(MFD)的有关图形和符号,类似于真实飞机上的显控计算为了解出非线性微分方程组(3)和(4),同时又要兼顾实时性和累积误差,可以采用变步长的二阶龙格-库塔法进行计算。由机方程已经十分成熟,文献[2]专门对在Matlab/Simulink下对飞机和制导系统建模有详细的说明和建模实例,因此本文不作过多的讨论。

2.2仿真系统软件结构软件结构分为运动仿真部分和视觉仿真部分。运动仿真部分包含气动模型、控制模型和动力学模型,分别描述飞行器所受的空气动力、被控机构的控制率和飞行器整体在环境中的位置坐标、姿态等运动情况。系统软件结构如图3所示。视景部分分为两个部分:内景(仪表、座舱)和外景显示内景显示将位置、方位、速度、油料等信息显示到虚拟仪表和平显上;外景显示则根据方位、位置、姿态等信息,结合地形数据库进行试图变换。在Simulink中构建的飞行动力学模型有关数据以UD数据包发给三维显示系统。由SimulinkAerospaceBlockse提供的Packnet_fdmPacketforFlightGear模块将数据打包经Sendnet_fdmPackettoFlightGear模块将数据通过LAN网络发送给指定IP地址的显控计算机和网络上其它任务计算机。显控计算机根据接收到的数据绘制画面。其它座舱接收到此数据包后从中取出位置信息,并根据此位置信息决定本机是否探测、识别、跟踪、截获这架“敌机”,以及是否进入导弹发射区、是否进入不可逃逸区等一系列动作。视觉仿真系统部分采用开源飞行仿真软件FlightGear建立。FlightGear是同时支持MSWindows、Linux、MACOS等多种平台的开源飞行仿真软件。FlightGear所有代码均可免费从FlightGear官方网站上免费下载,支持多种飞机动力学模型,用户既可以根据自己的开发需要,自行定制飞行器模型、制作精细新场景。与利用高级语言重新开发仿真系统相比,具有跨平台、多场景、多机型、可交互、开放性等优点。Illinois大学将其用行结冰过程的仿真可视化研究[6],Wales大学则在飞控系统仿真中利用Flightgear实现了可视化仿真环境[6]。

3运动仿真模型的建立

3.1动力学模型行器的飞行运动是一个极其复杂的过程,为了保证仿真的实时性,作如下假设:忽略由于地球公转自转带来的影响,将飞机视为刚体,不考虑其弹性形变和旋转部件的影响,并且不考虑飞机的质量变化。是根据需要在源代码上进行相应的修改和完善,大大减少了系统开发工作量。本文正是基于此构建了一个简明的空战视景仿真验证系统。同时根据某飞机,研制了飞行作战武器使用模拟座舱。此系统可应用于作战武器使用和战术战法仿真,该系统对仿真飞行、战术方案验证等具有一定指导意义。

3.2机载武器攻击模型1)一种典型的拦射发射火控原理[3]求解火力控制的基本思路是:攻击机实际飞行的速度矢量V1指向M'2处,和正确位置相比较,存在偏差矢量ΔC,由火控系统计算出相对航向角偏差Δ并在平视显示器上显示。飞行员操纵飞机机动飞行,当相对航向角偏差Δ=0,相对航向角φ满足ψ%φ%φ'条件时,在OC发射导弹,攻击机速度矢量将偏差矢量ΔC的两个分量CyG和CzG转换成在跟踪线坐标系中的两个偏差角度,并最终转换到平显坐标系中在平视显示器上的显示。2)相对运动参数方程建立目标-导弹视线坐标系运动模型如图6所示。导弹从M1点运动到M2点,目标从T1点运动到T2点。用快速仿真法求解导弹发射区时,目标运动是假想的,其相对导弹的运动参数必须解析求解。设目标相对导弹的位置矢量为珒r,在惯性坐标系上可以用(rx,ry,rz)或(r,qε,qβ)表示,其对时间的导数为:3)空空导弹理论攻击区计算针对一种型号空空导弹,列出导弹三自由度或六自由度动力学方程,代入具体的气动参数,根据载机和目标的性能、飞行参数以及环境因素,组合成不同的发射条件,确定在目标周围空间中以不低于某一给定概率杀伤目标的发射空空导弹的区域,即是导弹理论攻击区。限制攻击区边界的主要因素有:导引头作用距离、弹上能源工作时间、发动机最大推力和工作时间、导弹和目标的最小接近速度、导引头最大跟踪角和跟踪角速度;引信解除保险时间、导弹和目标最大接近速度、安全退出距离等。建立起计算机仿真数学模型后,应分析火控问题的实质和要求,确定攻击条件和攻击方式方法,确定方程的解法和积分步长,确定导弹命中或脱靶条件。

3.3运动仿真计算与视觉仿真的交联MATLAB提供的Packnet_fdmPacketforFlightGear组件模块,将各种姿态和位置信息打 包后以UDP包的形式由Sendnet_fdmFlightGear模块发送给FlightGear显示系统。数据包通过LAN网络传输。使得飞行解算系统和视景仿真系统两部分能够在不同计算机上运行。由于Packnet_fdmPacketforFlightGear模块和Sendnet_fdmFlightGear模块是由MATLAB已经提供的现成组件,所以免去了相应通信组件的编程,大大简化了编程过程,减少了开发时间和成本。

4视景仿真系统建立视觉仿真系统的硬件平台是具有OpenGL3D图形处理能力的工作站,3D显示软件采用FlightGear软件,并且通过LAN网络与其他部件相交联。用户自行定制飞行器模型时,需要自行编写的文件有:飞行器几何模型、全局配置文件和几何模型动作文件、航空仪表和显示符号、需要的地形环境场景文件。

4.1几何模型的建立飞行器3D建模文件支持多种常见的文件格式。采用AC3D,通过不同纵深下实体剖面轮廓来建立3D模型,具有通用性、可移植性好等优点。

4.2航空仪表和显示航空仪表和显示部分开发可采用的工具较多,比如用OpenGL编制,比较专业的有VAPS等,本文是采用对Flight-Gear自带的显示控制程序进行相应修改,重新编译生成FlightGear可执行文件,以满足空战和对地攻击的需要,优点是开发时间短。在FlightGear中,仪表和航电显示是用相应数据驱动几何模型实现的,其动作是在相应几何模型文件夹下的XML文件中设定的。

4.3地形环境场景生成FlightGear自身带有多个场景,能够满足一般的仿真需要。同时用户也可以根据自身需要定制新的场景TerraGear工具包包含了一系列的工具,可以方便地为用户生成Flight-Gear的数字地形、地貌、机场建筑物等场景文件。

5仿真实例

航空仪表和显示输出的画面,按照“一平三下”组成,左侧是导航画面,中间是虚拟仪表,右侧为用于对地攻击时显示红外电视图像。图8是在攻击过程中,飞机舵面操纵变化的曲线。

6结束语

本文利用开源仿真软件FlightGear和通用计算软件MATLAB搭建了飞机作战三维可视化仿真系统,通过网络相将各模拟座舱连接,并即时交换位置、速度和姿态等信息。