某制空型无人机武器系统数字仿真软件设计

王培 金琳乘

针对制空型无人作战飞机仿真演示验证预先研究的需求，提出了一种武器系统数字仿真软件设计方法，包含悬挂物管理分系统和机载武器系统两部分内容，并通过测试验证了武器控制管理逻辑的正确性，空空导弹弹道输出数据的准确性。

无人机的自主作战能力是无人机的最大特性，随着科技的发展，无人机在整个作战体系中扮演着越来越重要的角色是必然趋势。针对未来战争需求，各国正积极探索开发无人系统之间的协同作战能力。从目前的装备能力和技术水平来看，现阶段，无人机作为协同空战系统中的作战执行者，也是整个指挥控制环的终端环节，无人机的作战能力对整个协同系统的作战效能具有直接影响。在一次制空作战中，无人机的战术角色会根据战场环境的变化，作为武器投放平台具备中远距武器自动投放能力。并且在必要时，可实现直接投放中距精确制导导弹攻击敌先进战机的战术需求。因此，机载武器系统对提高无人机的作战效能具有重要作用。

武器系统数字仿真软件设计

武器系统数字仿真软件主要模拟悬挂物管理系统及其所管理的飞机挂载武器系统，由悬挂物管理分系统仿真模块和机载武器系统仿真模块组成，具备多机控制能力，可控制红、蓝双方各四架飞机（其中控制飞机数量通过输入来源于总控台的“红、蓝对抗数量”确定），每架飞机四个挂点，通过实时以太网与任务系统主控仿真模块、视景仿真模块和目标生成仿真模块之间交联，模拟武器与制空型无人机之间的接口通讯，对武器从挂载到上电、准备、发射、离机以及武器飞行弹道的全过程进行仿真，完成武器的发控管理以及武器投放后的弹道解算，并向视景仿真模块输出武器发射后的飞行弹道及内埋弹仓的开关状态。

武器系统数字仿真模块与航电系统在配套仿真验证环境中的各个模块交联关系如图1所示。

武器系统数字仿真软件与任务系统主控仿真模块、视景仿真模块以及目标生成仿真模块交联，交联数据如下：

a）与任务系统主控仿真模块交联，传递武器状态数据、舱门状态数据以及武器配置信息，并且传递机载武器控制信息、任务数据、中制导数据；

b）接收目标生成仿真模块的真实目标数据作为导弹末制导目标数据参数；

c）向视景仿真模块输出导弹飞行状态数据及舱门状态数据。

为提高武器系统数字仿真软件的复用性，仿真软件采用C语言类的封装形式，生成飞机悬挂物管理分系统类对象，通过接收总控台的“红、蓝对抗数量”确定仿真飞机的数量，生产相应数量的悬挂物管理分系统类实例，达到同时实现仿真多架飞机武器系统的功能。

悬挂物管理分系统软件仿真设计

武器系统中的悬挂物管理分系统接收由任务系统主控模块发送的武器控制信息，控制机载武器系统选择具体的武器占位并控制占位武器进行从参数装订、准备到正常发射的工作流程和状态，并下发机载武器雷达弹、红外弹所需装订的任务参数信息；向任务系统主控模块传递武器系统的状态数据以及舱门状态数据。悬挂物管理分系统在得到悬挂物清单后通过任务系统主控模块传输给地面站进行显示；在导弹发射后向视景仿真模块输出导弹飞行状态数据及舱门状态数据；在导弹中末制导交班后，向弹道仿真程序转发由目标生成仿真模块生成的真实目标信息。

机载武器雷达弹、红外弹的机上工作逻辑及飞行导弹解算等仿真功能，通过动态链接库的方式提供给悬挂物管理分系统仿真软件，仿真软件根据工作模式，调用相应的API函数，完成参数的输入，获取武器工作状态、导弹飞行数据。

对悬挂物管理分系统的核心功能需求进行分析：

（1）作为武器系统的主控计算机，能够具备调用局域网内（实时网/以太网环境下）其它计算机中的弹道解算软件的功能；

（2）可实现红、蓝对抗双方各四架飞机、每架飞机4个挂点的武器仿真管理，武器类型为中远距雷达制导导弹、近距红外格斗导弹，其中左右弹仓可各内埋悬挂2枚空空导弹，具备混挂能力；

（3）负责舱门状态管理，控制管理弹舱舱门开/闭，协调舱门开/闭和武器投放时机；

（4）负责武器清单管理、武器状态管理、武器占位管理及武器故障管理；

（5）实现机载武器的发控管理功能，包含：供电控制、参数装订、地面自检、空中准备、投放控制及安全性管理；具备导弹自动准备功能，能够进行多枚导弹的同时准备；

（6）具备导弹发射后模拟数据链向空空导弹传递中制导信息，并接收其回传的弹道数据以及武器状态数据信息，并保证能够实时的向视景系统进行传输；

（7）具备与任务系统主控仿真模块、视景仿真模块以及目标生成仿真模块的交联功能；

（8）具有可扩展接口，具备调用其它武器控制模块功能以及预留武器相应计算模块嵌入功能。

对悬挂物管理分系统仿真软件核心功能需求分析的基础上，按照软件的内在逻辑关系及模块化程序设计思想，把仿真软件划分为5个相对独立又相互依存的计算机软件部件（简称CSC），每个计算机软件部件下又细化为多个计算机软件单元（简称CSU）。在程序设计过程中，力求把计算机软件部件之间的耦合关系降到最低，保证各个计算机软件部件之间接口明确、简练。各计算机软件部件功能说明：

（1）仿真程序管理（SysProcess_Manage）：仿真程序管理，实现仿真软件的运行，包括界面显示、接口数据管理、悬挂物管理系统管理：

（2）显示界面（SysProcess_Display）：提供仿真软件所需要的操作显示界面，调用仿真程序主框架，根据仿真结果和界面操作在仿真器上实时显示软件运行状态、武器系统状态、关键数据监控：

（3）以太网控制管理（SysProcess_Net）：获取网络服务，包括启动、关闭网络，接收、发送数据，获取网管服务器状态，执行仿真程序主框架等：

（4）悬挂物管理系统仿真（SysProcess_SMSSim）：仿真悬挂物管理系统功能，实现悬挂物管理系统仿真模型、武器管理和控制、舱门控制和仿真、雷達弹发控管理、红外弹发控管理：

（5）与其他系统交联（SysProcess_Systems）：从任务系统主控台获取命令和数据供转换为仿真软件各计算机软件部件使用的数据和命令，获取武器飞行数据和舱门状态后向视景仿真系统发送。

悬挂物管理分系统仿真软件的顶层结构见图2。

悬挂物管理分系统仿真模型流程见图3，软件接口关系见图4。

机载武器系统仿真软件设计

机载武器系统仿真软件作为武器系统仿真软件的一个模块，由悬挂物管理分系统仿真软件进行调用，制空型无人机挂载的武器为两型空空导弹，分别为中远距雷达制导导弹、近距红外格斗导弹。机载武器系统仿真软件所需的任务数据与中制导、末制导数据均由悬挂物管理分系统负责转发，接收悬挂物管理分系统的控制信息并按照控制逻辑回传相应的状态数据。

机载武器系统仿真软件能够对导弹的加温、准备、发射、中制导（含中末制导交接）、末制导的整个工作过程进行模拟，完成弹道仿真计算，并输出导弹弹道参数和截获等信息。

对机载武器系统仿真软件的核心功能需求进行分析：

（1）具备武器离梁后的弹道解算功能，周期性实时解算并输出空空导弹的三自由度弹道和姿态等数据，并通过实时网传输；

（2）具备模拟空空导弹中制导数据链制导数据接收与导弹位置回传功能；

（3）具有同时输出多枚空空导弹弹道仿真能力；

（4）具备攻击双目标的仿真功能；

（5）能够模拟导弹准备、发射、离机、空间运动、制导飞行、导引头截获目标、命中或偏离目标等状态；

（6）具备武器挂机工作流程仿真功能；

（7）红外制导导弹要求在现有产品基础上达到数据链支持下的发射后截获目标的能力。

对机载武器系统仿真软件核心功能需求分析的基础上，按照功能划分，机载武器系统仿真软件主要分为操作使用模块、弹道仿真模块两部分：

（1）操作使用模块：能够完成导弹挂机时接收飞行任务信息，完成导弹加温、准备、发射过程的模拟，在系统给出激励时，能够按照导弹的真实工作过程，延迟相应时间后给出响应。

（2）弹道仿真模块：主要用于导弹整个自主飞行过程的模拟，能够根据飞行任务信息，实现导弹不同工作模式下的飞行弹道计算。雷达制导型导弹仿真软件在收到“发射”指令时，能够根据输入的发射条件，对雷达制导型导弹攻击目标时的飞行特性进行弹道仿真和模拟，同时输出特定的弹道参数和仿真结果。

机载武器系统仿真软件结构见图5。

空导弹仿真软件根据外部提供的控制时序进行工作，并根据载机、目标信息进行弹道的仿真计算。

武器系统数字仿真软件设计测试验证

制空型无人作战飞机武器系统数字仿真软件开始运行后，在总控制台的控制下，通过实时网，接收任务系统综合管理仿真模块的命令控制进行弹舱内武器数据加载，加载完成后上报武器配置清单，并对加载的武器进行参数装订。武器发射后调用弹道解算函数实时解算武器弹道，模拟中制导过程向空空导弹传递中制导数据信息，并将飞行数据与内埋弹仓舱门的开关状态发送给视景仿真模块，进行显示。分别对单机测试状态、单机对抗状态、多机对抗状态进行测试验证。

单机测试状态试验

在红方或蓝方单机状态下由试验总控台模拟目标，载机挂载两枚空空导弹进行拦截模式试验。导弹挂机状态由火控系统传输任务数据参数，导弹离机后由本机发送中制导数据，在末制导导引头开机后，悬挂物管理分系统将目标（目标仿真器中目标位置信息）真实坐标发送给武器仿真系统。主要验证武器管理逻辑、空空导弹弹道输出数据和命中状态。

试验中设置了多种目标位置和航线攻击，均能有效完成攻击任务，验证了武器管理逻辑正确，空空导弹弹道输出数据正确。具体试验结果见图6。

单机对抗状态试验

在红方、蓝方各一架机状态下进行对抗测试，双方载机各挂载两枚空空导弹进行拦截模式试验。导弹挂机状态由火控系统传输任务数据参数，导弹离机后由本机发送中制导数据，在末制导导引头开机后，悬挂物管理分系统将目标（红、蓝方目标机位置信息）真实坐标发送给武器仿真系统。主要验证红蓝双方单机状态下武器管理逻辑、空空导弹弹道输出数据和命中状态。

试验中设置了多种目标位置和航线对抗攻击，均能有效完成攻击任务，验证了红蓝双方武器管理逻辑正确，空空导弹弹道输出数据正确。具体试验结果见图7。

多机对抗状态试验

在红方、蓝方各两架机状态下进行对抗测试，双方载机各挂载两枚空空导弹进行拦截模式试验。导弹挂机状态由火控系统传输任务数据参数，导弹离机后由本机发送中制导数据，在末制导导引头开机后，悬挂物管理分系统将目标（红、蓝方目标机位置信息）真实坐标发送给武器仿真系统。主要验证红蓝双方多机状态下武器管理逻辑、空空导弹弹道输出数据和命中状态。

试验中设置了多种目标位置和航线多机对抗攻击，均能有效完成攻击任务，验证了红蓝双方多机状态武器管理逻辑正确，空空导弹弹道输出数据正确。具体试验结果见图8。

结论

制空型无人机武器系统数字仿真软件是在深入分析课题功能需求的基础上进行设计和开发，并在试验验证中采用多种目标生成方法和载机飞行状态，均能有效完成攻击任务，验证了武器控制管理逻辑的正确性，空空导弹弹道输出数据的正確性。能够满足制空型无人机课题使用需求。