一种基于靶式数据修正的武器效能建模方法与流程

本发明属于飞机航电系统设计技术领域，具体的，涉及一种基于靶式数据修正的武器效能建模方法。

背景技术：

武器效能建模主要包括武器弹道建模、碰撞检测建模、毁伤评估建模等，目前已广泛应用于各类军事训练、训练任务规划、作战效能评估中。随着技术的不断发展如何提高武器效能模型的可信度越来越受到业内的关注。现有的武器效能模型计算方案主要建立武器的气动模型、制导模型、环境模型，通过机载武器制导控制参数和气动数据对导弹动力学微分方程进行积分运算得出弹道轨迹，进一步完成碰撞解算和毁伤评估。

现有的武器效能模型建立只是将导弹气动模型、制导模型、环境模型进行导弹动力微分方程积分运算，没有进行目标多次碰撞过滤处理，没有将靶式数据和已有武器效能模型结合，没有对已有模型进行修正，导致弹道、碰撞检测和毁伤评估计算的误差较大。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明的目的在于为了解决武器效能模拟的逼真度问题，充分保证外弹道仿真、碰撞检测和毁伤评估的逼真度，从而提供了一种基于靶式数据修正的武器效能建模方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于靶式数据修正的武器效能建模方法，通过以下步骤实现：

1)数据交互周期到来，接收载机参数、目标参数、发射条件、武器型号，启动武器外弹道仿真进程，根据弹道参数数据库，建立弹体运动学微分方程；

2)以仿真周期为步长对微分方程进行解算，依次计算导弹诱导阻力系数cxi、导弹阻力系数cx、导弹阻力q、导弹质量m和导弹法向过载na，得到外弹道数据；

3)利用弹道表和靶试数据验证步骤2)所获得的外弹道数据，并校正弹体空气动力学模型和校正制导律，即依次修正导弹法向过载导弹攻角αt+δt、质量mt+δt、加速度速度和位置以及计算弹目距离矢量和标量d；

4)对目标进行运动预测，运动预测项目依次为目标对导弹相对速度矢量导弹对目标的接近速度矢量和导弹对目标的瞄准线角速度矢量

5)计算弹道模型的武器运行轨迹，将目标投影到x轴，得到目标k和k+1的即时位置和速度，提取满足公式

的目标，将目标投影到y轴，得到目标k和k+1的即时位置和速度，提取满足公式

的目标，将目标投影到z轴，得到目标k和k+1的即时位置和速度，提取满足公式

的目标；

6)采用帧间隙细节检测法在目标k和k+1中甄别确实碰撞的事件，得到最简的待检验碰撞目标集合，完成空中交汇检测；

7)过滤多目标碰撞干扰，将步骤6)所得到的碰撞检测集目标按碰撞时间的先后顺序进行排序，对排序后从前到后进行扫描，过滤多目标碰撞干扰，删除目标编号重复且碰撞事件较晚的项，得到最终碰撞序列；

8)完成弹道模型与靶式数据偏差估算；依次计算仿真弹道偏离靶式弹道的最大距离δdmax、仿真弹道偏离靶式弹道的距离平均值δdaverage和仿真弹道偏离靶式弹道的弹体飞行时间δt；

9)迭代修正导弹法向过载导弹攻角αt+δt、质量mt+δt、加速度速度和位置完成武器的毁伤评估，即输出弹体即时位置、姿态、速度和过载。

进一步，所述步骤2)中，所述导弹诱导阻力系数cxi通过公式cxi＝sign(α)·tabcxi(|α|，ma)计算获得，所述导弹阻力系数cx通过公式cx＝cxi+tabcxo(ma)计算获得，所述导弹阻力q通过公式q＝cx·ρ·v²·s/2计算获得，所述导弹质量m通过公式计算获得，所述导弹法向过载na通过公式计算获得，其中，α为攻角，ma为马赫数，ρ为空气密度，v为速度，s为导弹面积，sign(α)为符号函数：sign(α)＝-1(α＜0)，0(α＝0),1(α＞0)，cxo为零升阻力系数，tabcxi(|α|，ma)表示在曲线型参数tabcxi中进行插值，求出函数在(|α|，ma)处的值，tabcxo(ma)表示在曲线型参数tabcxo中进行插值，求出函数在(ma)处的值，为质量变化率，m0为初始质量，t为时间，cy为导弹升力系数，mg为导弹重力，cy(αmax(ma),ma)为固定马赫数下，最大迎角对应的升力系数。

进一步，所述步骤3)中，所述导弹法向过载通过公式

计算获得，所述导弹攻角αt+δt通过公式计算获得，所述质量mt+δt通过公式计算获得，所述加速度通过公式计算获得，所述速度通过公式计算获得，所述位置通过公式计算获得，所述弹目距离矢量通过公式计算获得，所述标量d通过公式计算获得，其中，p为发动机推力，为导弹法向过载下的瞄准线旋转角速度，αt+δt为t+δt时刻的攻角，αt为t时刻的攻角，为t+δt时刻的攻角变化率，mt+δt为t+δt时刻的质量，mt为t时刻的质量，为t+δt时刻的质量变化率，为t+δt时刻的加速度矢量，为导弹法向过载,g为重力加速度，为t+δt时刻的速度矢量，为t时刻的速度矢量，为t+δt时刻的位置矢量，为t时刻的位置矢量，[0-10]^t为矩阵，为t时刻的位置矢量，为m时刻的位置矢量，是弹目距离矢量，是弹目距离标量。

进一步，所述步骤4)中，所述目标对导弹相对速度矢量通过公式计算获得，所述导弹对目标的接近速度矢量通过公式计算获得，所述导弹对目标的瞄准线角速度矢量＝通过公式计算获得，其中，为tm时间段的速度矢量，为t时刻的速度矢量，为m时刻的速度矢量,t、m均为时间，为弹目距离矢量下的瞄准线旋转角速度。

进一步，所述步骤8)中，所述仿真弹道偏离靶式弹道的最大距离δdmax通过公式δdmax＝dmax/l×100％计算获得，所述仿真弹道偏离靶式弹道的距离平均值δdaverage通过公式δdaverage＝daverage/l×100％计算获得，所述仿真弹道偏离靶式弹道的弹体飞行时间δt通过公式δt＝|tsimu-tact|/tact×100％计算获得，其中，δdmax为偏离的距离最大值，dmax为距离最大值，l为总距离，δdaverage为偏离的距离平均值，daverage为距离平均值，δt为偏离的弹体飞行时间，tsimu为仿真的弹体飞行时间，tact为真实的弹体飞行时间。

本发明的有益效果是：1、本发明针对嵌入式训练设备弹道模型计算偏差较大的问题，提出基于靶式数据修正的弹道碰撞仿真技术，将靶式数据和已有弹道仿真计算模型结合起来，克服了现有模型弹道模型计算偏差较大的问题，模型误差率控制在5％以内。

2、本发明采用六自由度弹体运动学微分方程和制导律微分方程，实时计算弹体的坐标、姿态等参数，并且与靶试数据进行比较，用实测数据来修正理论参数的偏差，包括弹道最大偏差、弹道平均偏差、弹体飞行时间偏差等指标，完成武器碰撞检测和毁伤评估。本发明采用这种技术可确保提高武器仿真的结果与实际情况的逼真度，提升弹道、碰撞检测模拟、毁伤评估的逼真度。

附图说明

图1为现有技术中弹道和碰撞检测仿真工作流程示意图；

图2为本发明的工作流程示意图；

图3为本发明导弹运动受力模型示意图；

图4为本发明目标多次碰撞示意图。

其中：α为攻角，为升力，为发动机推力，为阻力，为重力，为速度。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图2至图4所示，本发明提供了一种基于靶式数据修正的武器效能建模方法，通过以下步骤实现：

步骤1：弹道仿真启动后，等到数据交互周期到来；

步骤2：首先根据武器型号、气动布局、搜集到的原始设计数据，待数据交互周期到来，接收载机参数、目标参数、发射条件、武器型号，启动武器外弹道仿真进程，根据弹道参数数据库，建立弹体运动学微分方程；

步骤3：以仿真周期为步长对微分方程进行解算，得到外弹道数据，计算外弹道数据中导弹诱导阻力系数cxi,其公式为：

cxi＝sign(α)·tabcxi(|α|，ma)

其中，α为攻角，ma为马赫数，sign(α)为符号函数：sign(α)＝-1(α＜0)，0(α＝0),1(α＞0)，tabcxi(|α|，ma)表示在曲线型参数tabcxi中进行插值，求出函数在(|α|，ma)处的值；

步骤4：计算外弹道数据中导弹阻力系数cx,其公式为：

cx＝cxi+tabcxo(ma)

其中，ma为马赫数，cxo为零升阻力系数，tabcxo(ma)表示在曲线型参数tabcxo中进行插值，求出函数在(ma)处的值；

步骤5：计算外弹道数据中导弹阻力q,其公式为：

q＝cx·ρ·v²·s/2

其中，ρ为空气密度，v为速度，s为导弹面积；

步骤6：计算外弹道数据中导弹质量m,其公式为：

其中，为质量变化率，m0为初始质量，t为时间；

步骤7：计算外弹道数据中导弹法向过载na,其公式为：

其中，cy为导弹升力系数，mg为导弹重力。cy(αmax(ma),ma)为固定马赫数下，最大迎角对应的升力系数；

步骤8：利用弹道表和靶试数据验证步骤3至步骤7所获得的外弹道数据，并校正弹体空气动力学模型和校正制导律(制导武器)，修正导弹法向过载其公式为：

其中，p为发动机推力，为导弹法向过载下的瞄准线旋转角速度；

步骤9：根据弹道表和靶式数据，修正导弹攻角αt+δt、质量mt+δt、加速度速度位置其公式分别为：

攻角：

质量：

加速度矢量：

速度矢量：

位置矢量：

其中，αt+δt为t+δt时刻的攻角，αt为t时刻的攻角，为t+δt时刻的攻角变化率，mt+δt为t+δt时刻的质量，mt为t时刻的质量，为t+δt时刻的质量变化率，为t+δt时刻的加速度矢量，为导弹法向过载,g为重力加速度，为t+δt时刻的速度矢量，为t时刻的速度矢量，为t+δt时刻的位置矢量，为t时刻的位置矢量，[0-10]^t为矩阵；

步骤10：计算弹目距离矢量和标量d，其公式分别为：

其中，为t时刻的位置矢量，为m时刻的位置矢量，是弹目距离矢量，是弹目距离标量；

步骤11：对目标进行运动预测，目标对导弹相对速度矢量，其公式为：

其中，为tm时间段的速度矢量，为t时刻的速度矢量，为m时刻的速度矢量,t、m均为时间；

步骤12：导弹对目标的接近速度矢量，其公式为：

步骤13：导弹对目标的瞄准线角速度矢量其公式为：

其中，为弹目距离矢量下的瞄准线旋转角速度；

步骤14：计算武器运行轨迹，将目标投影到x轴，得到目标k和k+1的即时位置和速度，提取满足公式

的目标，

其中，为目标k投影到x轴的即时速度，为目标k+1投影到x轴的即时速度，r为位置，xk+1为目标k+1投影到x轴的即时位置，xk为目标k投影到x轴的即时位置；

步骤15：将目标投影到y轴，得到目标k和k+1的即时位置和速度，提取满足公式

的目标，

其中，为目标k投影到y轴的即时速度，为目标k+1投影到y轴的即时速度，r为位置，yk+1为目标k+1投影到y轴的即时位置，yk为目标k投影到y轴的即时位置；

步骤16：将目标投影到z轴，得到目标k和k+1的即时位置和速度，提取满足公式

的目标，

其中，为目标k投影到z轴的即时速度，为目标k+1投影到z轴的即时速度，r为位置，zk+1为目标k+1投影到z轴的即时位置，zk为目标k投影到z轴的即时位置；

步骤17：采用帧间隙细节检测法在目标k和k+1中甄别确实碰撞的事件，得到最简的待检验碰撞目标集合，完成空中交汇检测；

步骤18：将步骤17所获得的碰撞检测集目标按碰撞时间的先后顺序进行排序，对排序后从前到后进行扫描，过滤多目标碰撞干扰，删除目标编号重复并且碰撞事件较晚的项，得到最终碰撞序列；

步骤19：完成弹道模型与靶式数据偏差估算，计算仿真弹道偏离靶式弹道的最大距离,其公式为：

δdmax＝dmax/l×100％

其中，δdmax为偏离的距离最大值，dmax为距离最大值，l为总距离。

步骤20：计算仿真弹道偏离靶式弹道的距离平均值，其公式为：

δdaverage＝daverage/l×100％

其中，δdaverage为偏离的距离平均值，daverage为距离平均值；

步骤21：计算仿真弹道偏离靶式弹道的弹体飞行时间，其公式为：

δt＝|tsimu-tact|/tact×100％

其中，δt为偏离的弹体飞行时间，tsimu为仿真的弹体飞行时间，tact为真实的弹体飞行时间；

步骤22：迭代步骤8和步骤9，即完成弹道和碰撞模型修正，输出弹体即时位置、姿态、速度和过载等，完成毁伤评估。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。