基于Simulink的导弹仿真系统研究

摘 要：基于Simulink仿真环境，以某型空空导弹为仿真对象，对该型空空导弹的打击过程进行了分析，建立了导弹的飞行控制模型，对各个子模块采用Simulink建立单元仿真子模型，通过对单元仿真子模型的集成得到了导弹飞行控制的仿真模型。仿真结果表明该模型能够正确反映出导弹发射后的飞行特点，对空空导弹导弹的分析研究能起到一定的帮助作用。

关键词：Simulink；制导模拟；导弹仿真

武器系统的仿真已经被广泛应用于武器研制工作中，利用先进仿真工具建模仿真并利用所得的实验数据优化武器系统的设计已经成为武器系统设计中必不可少的重要步骤。Simulink是Matlab中最重要的组件之一，相比其他建模软件优势明显，动态系统建模和集成开发环境为建模工作提供了诸多便利。该环境使操作者无需大量书写程序即可构造出复杂的系统，并可实现可视化。Simulink相对于其他高级编程语言来说，仿真过程可视化效果良好，流程一目了然，与实际情况一致性好，已被广泛应用于数字信号处理和现代控制理论的复杂仿真和设计工作中[1]。

1 仿真方法

在Simulink仿真环境下，利用数学仿真的方法开发导弹制导仿真系统，试验简单方便，可以将各种复杂的仿真条件加入制导系统，验证导弹设计的正确性。在设计的不同阶段，根据需要，设计不同精细度的仿真模型，从简单的闭环回路模型到局部的模块模型，实现不同阶段的仿真试验需求[2]。对导弹制导系统的建模首先要分析导弹的控制方法，分析各个模块的数据流以及如何通过各个模块的配合控制导弹的飞行。

2 制导仿真模型设计

按照模型的设计步骤，设计分为三个阶段：

（1）设计制导仿真系统的整体结构，区分出功能模块，确定各模块的输入和输出信号流；（2）分别编写各模块的内容，实现各自功

能；（3）模块封装、连接，闭合回路。

空空导弹仿真系统分为六个子模型，导弹模型、导引规律模型、导引头测量模型、舵机模型、控制规律模型、目标模型。目标模型给出目标的位置信息及运动信息，导引头测量模型获取信息并结合导弹模型给出的导弹位置信息以及运动信息给出弹目间距离、相对速度、方位角等信息并传输至控制规律模型。控制规律模型收集来自导弹模型和导引模型的信息解算出舵机所需操控信号，最终控制导弹飞行。

3 制导仿真模块的建立

根据制导仿真模块化的设计思路，确定模块的数量和各模块所需实现的功能，各模块之间信息流的关系，分别构建各模块的内容。在构建子模块时，可对每个模块再细化为多个子模块进行编写。文章以PL-8空空导弹的性能参数为例构建制导仿真系统。

3.1 总体模型

设计总体模型，需要从导弹的组成着手，通常导弹由制导仓、电子仓、战斗部、发动机仓、控制仓等舱段组成，每个舱段在仿真系统中对应一个仿真模块，用数学模型描述每个舱段的功能，在数学模型中加入导弹的原始参数，使仿真系统得出的结果更贴近与实际，根据舱段，导弹的控制系统由导引头，控制单元、伺服系统、弹体模型、敏感元件组成，导引头负责捕获目标，得到目标相对于导弹的角速率并传输至控制单元，控制单元中的导引规律根据弹体模型和导引头传输的信号解算出导弹的位置信息和需要执行的动作，输送至伺服系统，伺服系统根据指令操纵导弹飞行，完成攻击过程。系统总框图如图1所示。

3.2 导弹模型

导弹的坐标系定义及六自由度运动方程见文献[3]。导弹模型内部包括力和力矩模型、姿态动力学模型、姿态运动学模型、几何关系模型、质心运动学模型。导弹模型的输入信号流为一组舵偏角，导弹模型内设置导弹质量、推力、转动惯量等自身参数，输出信号流为导弹的速度、质心三维坐标、弹道倾角、速度倾斜角、攻角。仿真框图见图2。

3.3 目标模型

目标模型模拟目标的典型运动，可以模拟不同速度、不同起始位置的目标。给出目标在导弹发射坐标系内的位置坐标以及速度向量。匀速目标运动方程如下：

4 系统仿真及仿真结果

当前对于上述设计的制导仿真系统，假设导弹初速400m/s目标在大地坐标下初始速度272m/s。

仿真结果如图4-图7所示，依次为导弹和目标飞行轨迹、弹道倾角、导弹速度、舵偏角。导弹50秒后命中目标，速度提升至430m/s。由图5和图7可知，导弹发射后导弹弹轴与目标飞行方向平行，在一秒内有较大幅度转向，舵面偏转达9度，一秒后，导弹弹轴方向指向目标，进入稳定飞行阶段，舵面往复小幅度调整保持飞行。

调整目标初始位置靠近发射点，其他参数不变，仿真结果如图8-图11所示，依次为导弹和目标飞行轨迹、弹道倾角、导弹速度、舵偏角。导弹用时25秒击中目标，前五秒调整导弹飞行方向，5-25秒稳定飞行。

5 结束语

文章介绍了导弹六自度仿真系统设计，建立了空空导弹六自度仿真模型和目标运动模型等数学模型，利用Matlab/Simulink进行了导弹攻击目标的的建模仿真，列出了有代表性的仿真结果，为导弹制导与控制，弹体运动学的方面的研究提供了试验模型，经过简单修改，可以模拟出各种空空导弹的制导过程。

参考文献

[1]高胜灵.基于Matlab/Simulink的导弹六自由度弹道仿真系统设计[J].科学技术与工程，2011（1）：29-33.

[2]Liu Z-Z，Wei H-L. System Simulation[M].Beijing：Beijing Institute of Technology Press， 1998.

[3]李新国，方群.有翼导弹飞行动力学[M].西北工业大学出版社，2003.

[4]张坤峰.基于Simulink的导弹六自由度建模与仿真[J].舰船电子对抗，2011.