鱼雷声寻的制导半实物仿真系统研究与实现

　　摘　要: 　在对鱼雷仿真技术作用及目前发展状况进行简要介绍的基础上，针对国内建成的具有世界先进水平的鱼雷声寻的制导半实物仿真系统，叙述了该系统的基本组成和工作原理,重点对系统研究与建立过程中的主要关键技术及其解决途径进行了详细论述。

　　关键词: 　仿真　制导系统　鱼雷　声寻的仿真

　　Semi - Physical Simulation System Research and Implementation Approach on

　　Torpedo Acoustical Guidance

　　Liu Yongfeng 　Guan Guoshu 　Zhang Xijian 　Yang Yunchuan (The 705 Research Institute ,CSIC ,Xi’an ,710075)

　　Abstract : 　In this paper , recent simulation technique development and role on torpedo is introduced in brief . Meanwhile , semi - physical simulation system frame and theory based on acoustical guidance torpedo are presented. This simulation system have been fulfilled and have advantage over other country’s system. Key technique and solution of the simulation system performing, is emphasized in detail .

　　Key words : 　simulation, guidance system , torpedo , homing system

　　0 　概　述

　　鱼雷作为水下精确制导武器,是现代海战的主战武器之一。鱼雷制导系统是鱼雷武器最基本也是最重要的组成部分,是实现鱼雷武器总体性能与战技指标的核心与关键。鱼雷声寻的制导系统通常是由自导系统、控制系统、线导系统、鱼雷和目标的动力学与运动学、目标/ 环境声学等组成的闭环系统。由于鱼雷工作在有界的时变的水声物理场中,为实现全雷战技性能制导系统一般都设计了相当复杂的形式多样的搜索弹道、攻击弹道以及丢失目标后的再搜索与再攻击弹道,加之鱼雷发射方式的多样化、攻击的目标为点源与体源特征等,使得鱼雷武器的研制独具特色,技术难度相当大,研制过程复杂且周期长,费用昂贵。因此,应用仿真技术一直是鱼雷武器研制全过程中的十分重要的技术手段,特别在制导系统的研制中仿真技术发挥着无可替代的作用。鱼雷系统仿真技术的研究和半实物仿真系统的建设一直是所有鱼雷武器研制国家斥巨资而不懈追求的目标。

　　鱼雷制导系统半实物仿真是将鱼雷制导装置的全部或局部引入仿真回路的闭环动态仿真试验。一般由被仿鱼雷制导装置的试样、仿真设备、实时仿真计算机三大部分组成。声寻的制导系统的半实物仿真,通常有直接水声物理场法、电子注入法和机械对接法三种方法。直接水声物理场方法是利用消声水池/ 水罐,通过水中产生目标/ 背景信号直接作用到鱼雷的自导头上,形成制导闭环仿真;电子注入方法是声学基阵及波束形成网络不闭入系统,而是变成数学模型,由目标/ 背景实时生成系统变换成电信号直接加到自导头的电子装置上,形成制导闭环仿真;机械对接方法是把目标/ 背景信号通过仿真头转换成机械振动耦合到自导头的声学基阵阵面上,形成制导闭环仿真。上述三种方法各有优点,也有缺陷。机械对接方法相比而言较简洁,但其中机械解耦十分困难,机械耦合的精确程度是一大难题;电子注入方法硬件系统比较简单,成本相对要低,其声学基阵及其波束变换网络是以数学模型考虑在目标/ 背景实时生成装置中,而声学基阵和波束变换网络准确建模相当困难。直接水声物理场方法是将自导头全部实物引入仿真回路,即制导系统全部实物参与仿真,这种方法会使系统庞大,涉及面广,投资强度相对较高,但这种方法能比较全面地对制导系统进行试验研究。当前国内外鱼雷仿真技术的研究多以直接水声物理场和电子注入方法为主,且都已获得了应用。

　　我国鱼雷数学仿真一直贯穿于产品研制的全过程,且建模和仿真技术的水平与世界鱼雷发达国家相当。半实物仿真技术的研究取得了突破性进展,已建成了具有国际先进水平的采用直接水声物理场式的声寻的鱼雷制导半实物仿真系统,电子注入式的仿真技术已经应用于某型鱼雷产品动态调试中。本文针对国内已建成的声寻的鱼雷制导半实物仿真系统,对仿真技术的研究与实现作一论述。

　　1 　半实物仿真系统的组成与工作原理

　　1. 1 　组成

　　典型的鱼雷制导仿真系统由四个主要的仿真分系统和两个大型辅助系统组成,它们是:数学仿真分系统、控制仿真分系统、自导仿真分系统、线导仿真分系统、总显控中心和实时图形显示系统。其组成原理如图1 所示。

　　1. 2 　工作原理

　　图1 所示仿真系统是采用七个接点反射内存以环形连接加光旁路的光纤通信实时网络,通过4 台广播式接口机系统与仿真设备和产品连接组成的分布式一体化系统。在不改变硬件连接的情况下,可完成各分系统的半实物仿真,即数学仿真分系统分别与控制仿真分系统、自导仿真分系统、线导仿真分系统联网,可以组成鱼雷控制、自导、线导系统的半实物仿真试验系统,进行各系统的闭环半实物仿真试验。

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　　上述四大分系统加上总显控中心和实时图形显示系统,则构成鱼雷制导系统的闭环半实物仿真试验系统,完成鱼雷制导系统的半实物仿真试验。仿真时,将鱼雷的自导头安装在水下转台并置于变压消声水罐中,鱼雷的姿态和速率测量装置安装在三轴运动模拟转台上,深度传感器安装在深度模拟器上,鱼雷的舵机安装在舵负载模拟器上,鱼雷的自动驾驶仪、管理中心与导航计算机、线导装置等鱼雷制导系统按产品的实际连接,并通过产品接口机与仿真系统连接。

　　主仿真计算机实时解算鱼雷的动力学模型、运动学模型、目标和发射艇运动及鱼雷、目标和发射艇的相对运动模型,同时实时驱动三轴运动模拟转台的运动及深度模拟器、长线模拟器,仿真鱼雷实际航行姿态、深度及导线的传输。目标背景生成系统实时生成水声信号并驱动变压消声水罐中的水下基阵,实现水下目标、海洋环境的背景(混响/ 噪声/ 干扰等) 在水罐中的生成。同时接收主仿真计算机的鱼雷、目标、发射艇的运动信息形成目标相对与鱼雷运动的声学目标角信号,实时驱动双轴水下转台运动,实现水中目标与鱼雷的相对运动。仿真过程控制计算机通过网络实现对整个仿真系统初始设定与过程控制,并结合监视与通话系统完成仿真过程的指挥与监控。实时图形显示与处理系统对试验过程的结果可根据需要灵活进行实时显示及试验结束后的事后处理与分析。

　　仿真系统启动以后,鱼雷制导系统首先按产品设计的程序弹道/ 线导导引弹道进行搜索,同时目标背景生成系统按预先装入的数学模型在变压消声水罐中产生水声信号并传播。在弹道程序的某一时刻,鱼雷自导装置开启进行目标探测和处理,鱼雷自导装置图1 　典型的鱼雷制导仿真系统原理组成框图中的换能器接收水声信息并由接收机进行信号处理,检测目标信号并输出自导指令给自动驾驶仪。自动驾驶仪进行信号综合与处理产生操舵指令,驱动舵机操舵。舵机的操舵舵角由舵角测量装置测量并反馈给主仿真计算机。主仿真计算机实时解算鱼雷的动力学模型,运动学模型,目标、发射艇运动及鱼雷、目标和发射艇的相对运动模型,形成新的运动与环境信息。鱼雷的运动学参数由主仿真计算机输出三轴运动转台和深度模拟器,其上安装的测量与传感装置产品感受输出给自动驾驶仪,形成控制系统闭环半实物仿真。同时,目标相对于鱼雷运动的水平及俯仰方位角,由主仿真计算机输出给自导信息处理计算机生成声学目标角信号,驱动水下转台带动自导头运动,在水声物理场中形成相对目标角,鱼雷自导系统接收水声信号进行检测,产生有效回波,输出自导指令,这样就构成制导系统闭环半实物仿真。

　　2 　主要关键技术及其解决途径