仿真技术在防空导弹研制中的应用研究

日期：2008-04-21 来源：作者：季向东作者：管理员

摘　要：对面向对象建模、一体化结构及仿真视算技术进行了研究，建立了面向对象一体化的制导控制系统仿真环境，仿真结果实现了可视化。
关键词：防空导弹，仿真，面向对象，集成，视算

Research of Simulation Techniques Apply in Development
of Antiaircraft Missile

　　Abstract：The object-orientated modeling, integrated structure and visual simulation are researched.The object-orientated and integrated simulation environment for guidance system is derived,visual simulation results is achieved.
　　Key words：antiaircraft missile,simulation,object-orientation,integration,visual simulation

　　在防空导弹发展过程中，仿真技术起到了关键的作用。仿真技术可以在实验室中模拟导弹制导控制系统在真实战术环境下的动态工作情况，是除了飞行试验外唯一可以了解导弹制导控制系统闭路工作实况的技术，可为预估、鉴定制导系统提供大量数据。仿真技术对提高设计质量、减少飞行试验次数、缩短研制周期、降低成本、提高效费比等能起重大作用，已成为防空导弹系统优化设计的必要手段。
　　近几年来，建模技术、图形技术、人工智能技术、程序自动设计技术等的综合应用，成为仿真领域的热门，仿真技术得到了迅速发展。在防空导弹制导控制系统仿真研究中，本文顺应仿真技术发展潮流，采用了面向对象建模、一体化系统结构和仿真视算技术，提高了模型的置信度和仿真的逼真度，进一步增强了仿真技术在导弹研制中的地位和作用。

1　研究的意义
　　80年代以前，仿真语言和仿真程序包的研制成为计算机仿真研究的主要内容，开发出大量的面向微分方程、方框图、结构图的仿真程序和仿真语言，这些成果对于导弹制导控制系统的数字仿真，在一定范围内减轻了仿真工作人员建模与编程的负担。然而，这类仿真语言和程序有诸多局限性，难以适应制导控制系统模型的多样性与复杂变化。传统的制导控制系统建模与仿真主要存在三个方面的限制：
　　① 支持仿真模型开发的手段贫乏；
　　② 仿真模型开发过程和仿真实验混淆；
　　③　缺少管理数据和模型及仿真结果分析的软件工具。
　　仿真技术的落后，在一定程度上制约了导弹制导控制系统的研制和发展。因此，当务之急是要积极研究先进的仿真技术，将其尽快融入导弹制导控制系统的研究中去。其意义在于：
　　① 减轻仿真建模者的工作负担，提高仿真效率；
　　② 提高模型的置信度和仿真的逼真度；
　　③ 为复杂模式多种功能的制导控制系统提供良好的实验环境。

2　先进仿真技术的应用研究
　　根据仿真技术的发展动态，本文对面向对象建模、一体化仿真软件和仿真视算三种新技术进行了深入研究，并将这三种新技术有机结合起来，成功地应用于一种便携式防空导弹制导控制系统仿真研究中。
2.1　面向对象建模
　　长期以来，人们一直在设法争取问题空间同求解空间在结构上尽可能地一致，使分析、设计和研究系统的方法同认识客观世界的过程尽可能地一致。这正是面向对象方法学的出发点和所追求的原则。
　　面向对象的方法学认为，客观世界是由许多各种各样的对象组成，每个对象都有自己的内部状态和运动规律，不同对象间的相互作用和联系构成了各种不同的系统。这与人们认识世界的自然思维方式是一致的。面向对象仿真在理论上突破了传统仿真方法的观念，它根据组成系统的对象及其相互作用关系来构造仿真模型，模型的对象通常表示实际系统中相应的实体，从而弥补了模型和实际系统之间的差距，因而增强了仿真研究的直观性和易理解性。在面向对象的仿真中，建模的中心任务就是描述组成系统的对象及其相互作用关系。对象是一个封装起来的模块，对象中定义了一组属性和操作，建模就是把系统类库中提供的对象进行适当的修改与组合形成仿真模型。用户也可以根据系统的实际需要，自己构造适当的对象模块并保存在系统类库中，具有很大的灵活性和方便性。面向对象仿真具有内在的可扩充性和可重用性，因而为复杂的制导控制系统仿真研究提供了极为方便的手段。面向对象的一种便携式防空导弹制导控制系统仿真模型如图1所示，仿真模型的形式与实际系统相接近，模型直观形象且便于理解与操作。

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图1　一种便携式防空导弹制导控制系统仿真模型

　　面向对象建模提高了导弹制导控制系统模型的可理解性、可重用性、可扩充性和模块性，且容易实现与计算机图形学、人工智能/专家系统和管理决策科学等的结合，从而可以形成新一代面向对象的便携式防空导弹系统仿真建模环境，为用户展现了广阔的应用前景。
2.2　一体化软件结构
　　所谓一体化，就是集成化。一体化仿真软件就是将各种具有不同功能的软件集成起来，并对仿真资源进行统一管理，能灵活地拼合模型，设置仿真实验并对仿真结果进行分析处理。
　　一个仿真软件，从功能上讲包括建模、实验、优化、分析等部分；而从模型上讲，任何一个可供实验的模型都是由拼合模型组成的，而拼合模型又是由许多基本模型组成的。就仿真软件所涉及的资源而言，它包括模型、参数集、实验框架、算法及实验结果等。常规仿真软件的基本特点是：功能上是相互分离的；模型上是不分层的；在资源管理上，模型与实验不分；算法完全嵌入到程序中，不易扩展和管理，数据在系统之外，基本上不进行管理。而“一体化”仿真软件则克服了上述缺点，将若干个具有不同功能的软件集成为一个包含多种功能的软件系统，使模型能灵活地分解与拼合，并能统一对系统资源进行管理。实现“一体化”的关键技术是：接口与数据格式转换——功能上的一体化；数据库——资源管理上的一体化；模型描述、结构化建模——模型上的一体化。
　　便携式防空导弹制导控制系统一体化仿真软件的基本结构如图2所示。

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图2　一体化仿真软件基本结构

　　它由四个相互独立的管理系统（模型库管理系统、算法库管理系统、实验框架管理系统和数据管理系统）、一个仿真数据库系统（模型库、算法库、实验框架库和实验数据库）及一个实验运行系统组成，四个管理系统通过仿真数据库和实验运行系统实现集成。用户可以在同一屏幕上进行仿真、显示数据、保存数据和观察图形，将实验过程和仿真结果分析融为一体，能方便地完成建模-实验-分析整个仿真过程，实现“一体化”的思想。
2.3　仿真视算技术
　　仿真视算技术实现把计算中所涉及的和所产生的数字信息转变为直观的、以图形或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察到模拟和计算，即看到传统意义上不可见的事物或现象，同时还提供与仿真的视觉交互手段。仿真视算技术基于日趋成熟的图形学和图像处理技术，其目的是充分发挥人的视觉潜力，以图形、图像及动画等视觉表现形式将仿真结果表达出来，表达许多用语言难以表达的信息，使研究人员能够洞察到不可见的对象及其变化规律，促进科学发现与信息交流。
　　导弹制导控制系统仿真量很大，每次仿真都将输出许多变量和大量数据，其仿真结果分析十分复杂，而仿真结论往往需要对所有数据分析以后才能得到，如此大的分析量人工几乎无法胜任。并且在分析过程中如果发现模型有问题，需要修改模型的某些参数，却不能立即得到修改结果，只能在仿真结果输出、再分析后，才能确定修改过程是否正确。另外，人工分析的结果还会因为仿真用户的水平不同、熟练程度不同、采取的总结方法不同而有很大差异。为了克服上述缺点，本文采用了仿真视算技术，仿真结果实现了可视化。
　　可视化系统框架如图3所示。

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图3　可视化框架模型

　　用户通过对

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