摘　要: 　在對(duì)魚(yú)雷仿真技術(shù)作用及目前發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)建成的具有世界先進(jìn)水平的魚(yú)雷聲尋的制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，敘述了該系統(tǒng)的基本組成和工作原理,重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)研究與建立過(guò)程中的主要關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑進(jìn)行了詳細(xì)論述。

　　關(guān)鍵詞: 　仿真　制導(dǎo)系統(tǒng)　魚(yú)雷　聲尋的仿真

　　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

　　魚(yú)雷作為水下精確制導(dǎo)武器,是現(xiàn)代海戰(zhàn)的主戰(zhàn)武器之一。魚(yú)雷制導(dǎo)系統(tǒng)是魚(yú)雷武器最基本也是最重要的組成部分,是實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷武器總體性能與戰(zhàn)技指標(biāo)的核心與關(guān)鍵。魚(yú)雷聲尋的制導(dǎo)系統(tǒng)通常是由自導(dǎo)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、線導(dǎo)系統(tǒng)、魚(yú)雷和目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)、目標(biāo)/ 環(huán)境聲學(xué)等組成的閉環(huán)系統(tǒng)。由于魚(yú)雷工作在有界的時(shí)變的水聲物理場(chǎng)中,為實(shí)現(xiàn)全雷戰(zhàn)技性能制導(dǎo)系統(tǒng)一般都設(shè)計(jì)了相當(dāng)復(fù)雜的形式多樣的搜索彈道、攻擊彈道以及丟失目標(biāo)后的再搜索與再攻擊彈道,加之魚(yú)雷發(fā)射方式的多樣化、攻擊的目標(biāo)為點(diǎn)源與體源特征等,使得魚(yú)雷武器的研制獨(dú)具特色,技術(shù)難度相當(dāng)大,研制過(guò)程復(fù)雜且周期長(zhǎng),費(fèi)用昂貴。因此,應(yīng)用仿真技術(shù)一直是魚(yú)雷武器研制全過(guò)程中的十分重要的技術(shù)手段,特別在制導(dǎo)系統(tǒng)的研制中仿真技術(shù)發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。魚(yú)雷系統(tǒng)仿真技術(shù)的研究和半實(shí)物仿真系統(tǒng)的建設(shè)一直是所有魚(yú)雷武器研制國(guó)家斥巨資而不懈追求的目標(biāo)。

　　魚(yú)雷制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真是將魚(yú)雷制導(dǎo)裝置的全部或局部引入仿真回路的閉環(huán)動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)。一般由被仿魚(yú)雷制導(dǎo)裝置的試樣、仿真設(shè)備、實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)三大部分組成。聲尋的制導(dǎo)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真,通常有直接水聲物理場(chǎng)法、電子注入法和機(jī)械對(duì)接法三種方法。直接水聲物理場(chǎng)方法是利用消聲水池/ 水罐,通過(guò)水中產(chǎn)生目標(biāo)/ 背景信號(hào)直接作用到魚(yú)雷的自導(dǎo)頭上,形成制導(dǎo)閉環(huán)仿真;電子注入方法是聲學(xué)基陣及波束形成網(wǎng)絡(luò)不閉入系統(tǒng),而是變成數(shù)學(xué)模型,由目標(biāo)/ 背景實(shí)時(shí)生成系統(tǒng)變換成電信號(hào)直接加到自導(dǎo)頭的電子裝置上,形成制導(dǎo)閉環(huán)仿真;機(jī)械對(duì)接方法是把目標(biāo)/ 背景信號(hào)通過(guò)仿真頭轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)耦合到自導(dǎo)頭的聲學(xué)基陣陣面上,形成制導(dǎo)閉環(huán)仿真。上述三種方法各有優(yōu)點(diǎn),也有缺陷。機(jī)械對(duì)接方法相比而言較簡(jiǎn)潔,但其中機(jī)械解耦十分困難,機(jī)械耦合的精確程度是一大難題;電子注入方法硬件系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單,成本相對(duì)要低,其聲學(xué)基陣及其波束變換網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)學(xué)模型考慮在目標(biāo)/ 背景實(shí)時(shí)生成裝置中,而聲學(xué)基陣和波束變換網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確建模相當(dāng)困難。直接水聲物理場(chǎng)方法是將自導(dǎo)頭全部實(shí)物引入仿真回路,即制導(dǎo)系統(tǒng)全部實(shí)物參與仿真,這種方法會(huì)使系統(tǒng)龐大,涉及面廣,投資強(qiáng)度相對(duì)較高,但這種方法能比較全面地對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外魚(yú)雷仿真技術(shù)的研究多以直接水聲物理場(chǎng)和電子注入方法為主,且都已獲得了應(yīng)用。

　　我國(guó)魚(yú)雷數(shù)學(xué)仿真一直貫穿于產(chǎn)品研制的全過(guò)程,且建模和仿真技術(shù)的水平與世界魚(yú)雷發(fā)達(dá)國(guó)家相當(dāng)。半實(shí)物仿真技術(shù)的研究取得了突破性進(jìn)展,已建成了具有國(guó)際先進(jìn)水平的采用直接水聲物理場(chǎng)式的聲尋的魚(yú)雷制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng),電子注入式的仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于某型魚(yú)雷產(chǎn)品動(dòng)態(tài)調(diào)試中。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)已建成的聲尋的魚(yú)雷制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng),對(duì)仿真技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)作一論述。

　　1 　半實(shí)物仿真系統(tǒng)的組成與工作原理

　　1. 1 　組成

　　典型的魚(yú)雷制導(dǎo)仿真系統(tǒng)由四個(gè)主要的仿真分系統(tǒng)和兩個(gè)大型輔助系統(tǒng)組成,它們是:數(shù)學(xué)仿真分系統(tǒng)、控制仿真分系統(tǒng)、自導(dǎo)仿真分系統(tǒng)、線導(dǎo)仿真分系統(tǒng)、總顯控中心和實(shí)時(shí)圖形顯示系統(tǒng)。其組成原理如圖1 所示。

　　1. 2 　工作原理

　　圖1 所示仿真系統(tǒng)是采用七個(gè)接點(diǎn)反射內(nèi)存以環(huán)形連接加光旁路的光纖通信實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò),通過(guò)4 臺(tái)廣播式接口機(jī)系統(tǒng)與仿真設(shè)備和產(chǎn)品連接組成的分布式一體化系統(tǒng)。在不改變硬件連接的情況下,可完成各分系統(tǒng)的半實(shí)物仿真,即數(shù)學(xué)仿真分系統(tǒng)分別與控制仿真分系統(tǒng)、自導(dǎo)仿真分系統(tǒng)、線導(dǎo)仿真分系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),可以組成魚(yú)雷控制、自導(dǎo)、線導(dǎo)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行各系統(tǒng)的閉環(huán)半實(shí)物仿真試驗(yàn)。

　　1

　　上述四大分系統(tǒng)加上總顯控中心和實(shí)時(shí)圖形顯示系統(tǒng),則構(gòu)成魚(yú)雷制導(dǎo)系統(tǒng)的閉環(huán)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng),完成魚(yú)雷制導(dǎo)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)。仿真時(shí),將魚(yú)雷的自導(dǎo)頭安裝在水下轉(zhuǎn)臺(tái)并置于變壓消聲水罐中,魚(yú)雷的姿態(tài)和速率測(cè)量裝置安裝在三軸運(yùn)動(dòng)模擬轉(zhuǎn)臺(tái)上,深度傳感器安裝在深度模擬器上,魚(yú)雷的舵機(jī)安裝在舵負(fù)載模擬器上,魚(yú)雷的自動(dòng)駕駛儀、管理中心與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、線導(dǎo)裝置等魚(yú)雷制導(dǎo)系統(tǒng)按產(chǎn)品的實(shí)際連接,并通過(guò)產(chǎn)品接口機(jī)與仿真系統(tǒng)連接。

　　主仿真計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)解算魚(yú)雷的動(dòng)力學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、目標(biāo)和發(fā)射艇運(yùn)動(dòng)及魚(yú)雷、目標(biāo)和發(fā)射艇的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型,同時(shí)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)三軸運(yùn)動(dòng)模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)及深度模擬器、長(zhǎng)線模擬器,仿真魚(yú)雷實(shí)際航行姿態(tài)、深度及導(dǎo)線的傳輸。目標(biāo)背景生成系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成水聲信號(hào)并驅(qū)動(dòng)變壓消聲水罐中的水下基陣,實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)、海洋環(huán)境的背景(混響/ 噪聲/ 干擾等) 在水罐中的生成。同時(shí)接收主仿真計(jì)算機(jī)的魚(yú)雷、目標(biāo)、發(fā)射艇的運(yùn)動(dòng)信息形成目標(biāo)相對(duì)與魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)的聲學(xué)目標(biāo)角信號(hào),實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)雙軸水下轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)水中目標(biāo)與魚(yú)雷的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。仿真過(guò)程控制計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)初始設(shè)定與過(guò)程控制,并結(jié)合監(jiān)視與通話系統(tǒng)完成仿真過(guò)程的指揮與監(jiān)控。實(shí)時(shí)圖形顯示與處理系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的結(jié)果可根據(jù)需要靈活進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及試驗(yàn)結(jié)束后的事后處理與分析。

　　仿真系統(tǒng)啟動(dòng)以后,魚(yú)雷制導(dǎo)系統(tǒng)首先按產(chǎn)品設(shè)計(jì)的程序彈道/ 線導(dǎo)導(dǎo)引彈道進(jìn)行搜索,同時(shí)目標(biāo)背景生成系統(tǒng)按預(yù)先裝入的數(shù)學(xué)模型在變壓消聲水罐中產(chǎn)生水聲信號(hào)并傳播。在彈道程序的某一時(shí)刻,魚(yú)雷自導(dǎo)裝置開(kāi)啟進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和處理,魚(yú)雷自導(dǎo)裝置圖1 　典型的魚(yú)雷制導(dǎo)仿真系統(tǒng)原理組成框圖中的換能器接收水聲信息并由接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理,檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)并輸出自導(dǎo)指令給自動(dòng)駕駛儀。自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行信號(hào)綜合與處理產(chǎn)生操舵指令,驅(qū)動(dòng)舵機(jī)操舵。舵機(jī)的操舵舵角由舵角測(cè)量裝置測(cè)量并反饋給主仿真計(jì)算機(jī)。主仿真計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)解算魚(yú)雷的動(dòng)力學(xué)模型,運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,目標(biāo)、發(fā)射艇運(yùn)動(dòng)及魚(yú)雷、目標(biāo)和發(fā)射艇的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型,形成新的運(yùn)動(dòng)與環(huán)境信息。魚(yú)雷的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)由主仿真計(jì)算機(jī)輸出三軸運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和深度模擬器,其上安裝的測(cè)量與傳感裝置產(chǎn)品感受輸出給自動(dòng)駕駛儀,形成控制系統(tǒng)閉環(huán)半實(shí)物仿真。同時(shí),目標(biāo)相對(duì)于魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)的水平及俯仰方位角,由主仿真計(jì)算機(jī)輸出給自導(dǎo)信息處理計(jì)算機(jī)生成聲學(xué)目標(biāo)角信號(hào),驅(qū)動(dòng)水下轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)自導(dǎo)頭運(yùn)動(dòng),在水聲物理場(chǎng)中形成相對(duì)目標(biāo)角,魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)接收水聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),產(chǎn)生有效回波,輸出自導(dǎo)指令,這樣就構(gòu)成制導(dǎo)系統(tǒng)閉環(huán)半實(shí)物仿真。

　　2 　主要關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑