一种高空高速飞机突防生存力快速评估装置

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一种高空高速飞机突防生存力快速评估装置
申请号	CN201911348515.X	申请日	2019-12-24	公开(公告)号	CN111046497A	公开(公告)日	2020-04-21
申请人	中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所;			发明人	李俊男; 骆遥; 朴海音; 孙智孝; 宛旭; 詹光; 徐庆华; 刘士才; 刘云飞; 孙阳; 李思凝; 郎魁军; 史贵超;
摘要	本申请属于飞机总体设计领域，特别涉及一种高空高速飞机突防生存力快速评估装置，包括：导弹性能模型，用于导弹全空域弹道仿真，实时输出导弹飞行信息；飞机性能模型，用于真实模拟飞机气动特性和机动能力；仿真框架模块，用于对飞机性能模型和导弹性能模型进行调用；处理模块集群，受控于仿真框架模块，用于实现高空高速飞机突防生存力快速评估仿真并行计算；仿真剖面设置模块，提供相对应的参数的仿真范围和步长；仿真结果分析模块，用于对仿真结果数据进行分析。本申请的高空高速飞机突防生存力快速评估装置，能够实现高空高速飞机突防生存力的快速评估，加速飞机平台方案和突防方案的设计迭代，快速验证方案可行性，提高设计效率。
权利要求	1.一种高空高速飞机突防生存力快速评估装置，其特征在于，包括：导弹性能模型，用于导弹全空域弹道仿真，实时输出导弹飞行信息；飞机性能模型，用于真实模拟飞机气动特性和机动能力，并能够对控制指令进行响应；仿真框架模块，用于对飞机性能模型和导弹性能模型进行调用；处理模块集群，受控于仿真框架模块，用于实现高空高速飞机突防生存力快速评估仿真并行计算；仿真剖面设置模块，用于在所述处理模块集群针对不同任务进行仿真并行计算前，提供相对应的参数的仿真范围和步长；仿真结果分析模块，用于对所述仿真框架模块得到的仿真结果数据进行分析。 2.根据权利要求1所述的高空高速飞机突防生存力快速评估装置，其特征在于，所述导弹性能模型包括：信息交互模块，用于与飞机仿真平台完成输入输出信息交互；导弹制导模块，用于完成导弹导引律计算；导弹稳定模块，用于模拟导弹过载响应特性；运动学和动力学模块，用于对导弹的预定运动信息进行计算。 3.根据权利要求1所述的高空高速飞机突防生存力快速评估装置，其特征在于，所述飞机性能模型包括飞机动力学模型或运动学模型。 4.根据权利要求3所述的高空高速飞机突防生存力快速评估装置，其特征在于，所述飞机动力学模型或运动学模型采用动态逆方法实现飞机内环姿态控制，利用PID方法实现外环航向、高度自动控制。 5.根据权利要求2所述的高空高速飞机突防生存力快速评估装置，其特征在于，所述仿真框架模块包括：动态链接库调用单元，用于调用导弹动态链接库模型。 6.根据权利要求1所述的高空高速飞机突防生存力快速评估装置，其特征在于，所述仿真剖面设置模块中提供的参数包括9个，分别是：打弹时刻载机高度、打弹时刻载机速度、打弹时刻本机高速、打弹时刻本机速度、突防过程中本机过载、打弹时刻弹目初始距离、本机雷达框架角、打弹时刻进入角、打弹时刻方位角。 7.根据权利要求6所述的高空高速飞机突防生存力快速评估装置，其特征在于，所述仿真剖面设置模块包括：突防边界值求解单元，用于将每个参数的仿真范围和步长作为循环参数；其中处理模块集群能够自动完成所有参数组合的仿真计算。 8.根据权利要求7所述的高空高速飞机突防生存力快速评估装置，其特征在于，所述突防边界值求解单元还用于通过二分法得到在固定场景下对应参数的突防边界值。 9.根据权利要求1所述的高空高速飞机突防生存力快速评估装置，其特征在于，还包括：显示模块，用于根据仿真结果数据，显示飞机突防过程中导弹与飞机相对位置变化的动态过程。
说明书全文	一种高空高速飞机突防生存力快速评估装置技术领域 [0001] 本申请属于飞机总体设计领域，特别涉及一种高空高速飞机突防生存力快速评估装置。背景技术 [0002] 空中力量在现代战争中起到至关重要的作用，是一个国家军队空中力量的核心，高空高速飞机是重要的空中力量之一，其面对空空导弹的突防生存力是评价飞机性能的重要指标，因此高空高速飞机突防生存力的快速评估方法成为航空工程师重要的研究课题。 [0003] 高空高速飞机突防生存力与飞机的隐身能力、机动能力、发动机推力、突防策略等紧密相关，因此高空高速飞机在设计初期涉及多个参数，为了保证飞机面对空空导弹具有较高突防生存力，需要快速评估不同参数组合下飞机的突防生存力，以便加速飞机性能参数设计的迭代过程。 [0004] 在飞机方案设计阶段，利用传统方法进行突防生存力评估时，往往通过专家评审方法进行理论分析，此种方法强烈依赖于专家经验。由于突防生存力影响因素变量众多，理论分析难度大，且往往只能给出定性结论，对方案设计指导性差。发明内容 [0005] 为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种高空高速飞机突防生存力快速评估装置。 [0006] 本申请公开了一种高空高速飞机突防生存力快速评估装置，包括： [0007] 导弹性能模型，用于导弹全空域弹道仿真，实时输出导弹飞行信息； [0008] 飞机性能模型，用于真实模拟飞机气动特性和机动能力，并能够对控制指令进行响应； [0009] 仿真框架模块，用于对飞机性能模型和导弹性能模型进行调用； [0010] 处理模块集群，受控于仿真框架模块，用于实现高空高速飞机突防生存力快速评估仿真并行计算； [0011] 仿真剖面设置模块，用于在所述处理模块集群针对不同任务进行仿真并行计算前，提供相对应的参数的仿真范围和步长； [0012] 仿真结果分析模块，用于对所述仿真框架模块得到的仿真结果数据进行分析。 [0013] 根据本申请的至少一个实施方式，所述导弹性能模型包括： [0014] 信息交互模块，用于与飞机仿真平台完成输入输出信息交互； [0015] 导弹制导模块，用于完成导弹导引律计算； [0016] 导弹稳定模块，用于模拟导弹过载响应特性； [0017] 运动学和动力学模块，用于对导弹的预定运动信息进行计算。 [0018] 根据本申请的至少一个实施方式，所述飞机性能模型包括飞机动力学模型或运动学模型。 [0019] 根据本申请的至少一个实施方式，所述飞机动力学模型或运动学模型采用动态逆方法实现飞机内环姿态控制，利用PID方法实现外环航向、高度自动控制。 [0020] 根据本申请的至少一个实施方式，所述仿真框架模块包括： [0021] 动态链接库调用单元，用于调用导弹动态链接库模型。 [0022] 根据本申请的至少一个实施方式，所述仿真剖面设置模块中提供的参数包括9个，分别是：打弹时刻载机高度、打弹时刻载机速度、打弹时刻本机高速、打弹时刻本机速度、突防过程中本机过载、打弹时刻弹目初始距离、本机雷达框架角、打弹时刻进入角、打弹时刻方位角。 [0023] 根据本申请的至少一个实施方式，所述仿真剖面设置模块包括： [0024] 突防边界值求解单元，用于将每个参数的仿真范围和步长作为循环参数；其中 [0025] 处理模块集群能够自动完成所有参数组合的仿真计算。 [0026] 根据本申请的至少一个实施方式，所述突防边界值求解单元还用于通过二分法得到在固定场景下对应参数的突防边界值。 [0027] 根据本申请的至少一个实施方式，所述的高空高速飞机突防生存力快速评估装置还包括： [0028] 显示模块，用于根据仿真结果数据，显示飞机突防过程中导弹与飞机相对位置变化的动态过程。 [0029] 本申请至少存在以下有益技术效果： [0030] 本申请的高空高速飞机突防生存力快速评估装置，能够实现高空高速飞机突防生存力的快速评估，加速飞机平台方案和突防方案的设计迭代，快速验证方案可行性，提高设计效率。附图说明 [0031] 图1是本申请高空高速飞机突防生存力快速评估装置的结构示意图。具体实施方式 [0032] 为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。 [0033] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。 [0034] 本方法提出一种高空高速无人机突防生存力的快速评估装置及其运用方法，该装置和方法通过simulink仿真平台集成导弹模型和飞机模型，同时搭建仿真调度和仿真结果分析模块，实现高空高速飞机突防生存力的全过程闭环仿真，快速验证飞机平台方案和突防策略合理性，加快方案设计迭代。其中需要解决的技术问题有： [0035] a)导弹性能模型快速建模； [0036] b)飞机性能模型快速建模； [0037] c)基于simulink软件的仿真框架设计； [0038] d)仿真剖面设置模块设计； [0039] e)仿真结果分析模块设计。 [0040] 下面结合附图1，以实施步骤形式对本申请的高空高速飞机突防生存力快速评估装置的各模块功能进行一一解释说明。 [0041] 本申请高空高速飞机突防生存力快速评估装置的实施步骤如下： [0042] 1、导弹性能模型快速建模 [0043] 导弹性能模型(仿真模型)采用三自由度质心运动学和动力学模型，由六自由度仿真模型简化得到，包括可以实现导弹全空域弹道仿真，输入发射时刻载机位置、速度以及目标位置、速度、RCS等信息，弹道仿真计算后可以实时输出导弹飞行信息，包括导弹位置、速度、姿态角、攻角、侧滑角、角速度以及脱靶量等信息。 [0044] 进一步，优选导弹性能模型由以下几个模块组成： [0045] 1)信息交互模块，用于与载机仿真平台完成输入输出信息交互； [0046] 2)导弹制导模块，用于完成导弹导引律计算； [0047] 3)导弹稳定模块，用于模拟导弹过载响应特性； [0048] 4)运动学和动力学模块，包含导弹运动学动力学微分方程、气动模型和总体参数模型，用于完成导弹位置、速度、姿态等运动信息计算。 [0049] 其中，导弹性能模型采用标准C/C++语言开发，并以动态链接库形式进行封装，实现模块化设计，方便后续模型更新和替换。封装后的模型对外提供仿真初始化函数、步进函数和终止函数3个接口函数，供仿真框架模块调用。 [0050] 2、飞机性能模型快速建模 [0051] 飞机突防生存力快速评估过程中，需要对针对多种平台方案进行快速评估和设计迭代。仿真中需要应用能够真实模拟飞机气动特性和机动能力的飞机模型，并要求飞机能够对过载、航向等指令进行响应，因此针对每种飞机方案，需要在真实飞机动力学模型的基础上，进行原理控制律快速设计开发，保证评估快速性。 [0052] 针对上述需求，利用simulink工具进行飞机动力学/运动学模型以及原理控制律开发。飞机运动学/动力学仿真采用六自由度模型，应用动态逆方法实现飞机内环姿态控制，利用经典PID方法实现外环航向、高度自动控制。采用动态逆方法设计的内环控制律，可以实现更换飞机数据后控制参数自动计算，设计方案迭代过程中不需要重复设计控制参数，加快效率。 [0053] 3、仿真框架模块设计 [0054] 仿真框架(或仿真框架模块)负责对飞机性能模型和导弹性能模型进行调用，通过模型联合仿真，实现高空高速飞机突防生存力快速评估。仿真框架利用Simulink软件进行开发设计，应用Simulink提供的数值计算工具和运动学、动力学仿真模块，提高开发效率。 [0055] 3.1动态链接库调用： [0056] 仿真框架中的动态链接库调用单元利用Simulink提供的S函数功能调用导弹动态链接库模型。S函数是一种能够在Simulink模型中集成C/C++代码的方法，首先通过编写C/C++代码加载导弹模型动态链接库并调用其中的方法函数，然后利用Matlab提供的Mex编译工具将代码编译成为Simulink可以识别的二进制文件。在Simulink中创建S函数模块，在其中调用编译生成的二进制文件，通过该方法实现将导弹模型集成到仿真框架中。 [0057] 3.2并行计算： [0058] 高空高速飞行器突防测试剖面变量维数多，仿真计算量大，因此还可以包括处理模块集群(即并行计算工具箱)；仿真框架采用Matlab并行计算工具箱实现突防生存力评估仿真并行计算，提高仿真效率。Matlab并行计算工具箱可以使用多核处理器、GPU和计算机集群来解决计算问题和数据密集型问题，可以通过与Simulink配合使用，并行运行一个模型的多个仿真。 [0059] 仿真框架首先利用matlab软件提供的parpool函数，获取可用处理器数量(处理模块集群)，并使用默认配置启动并行计算。然后读取仿真剖面设置模块设置文件，将需要执行的仿真计算任务进行分类，利用parfor函数将计算任务分配到不同的处理器上进行并行计算。 [0060] 4、仿真剖面设置模块设计 [0061] 仿真剖面设置包含多个参数，仿真开始前需要设置每个参数的仿真范围和步长，具体参数如下9个参数：打弹时刻载机高度；打弹时刻载机速度；打弹时刻本机高速；打弹时刻本机速度；突防过程中本机过载；打弹时刻弹目初始距离；本机雷达框架角；打弹时刻进入角；打弹时刻方位角。 [0062] 4.1循环算法 [0063] 求解突防边界值的一种方法是遍历所有参数的组合，由于参数组合过多，人为遍历无法实现，为了提高仿真效率，本申请还包括突防边界值求解单元，通过循环算法，将每个参数的仿真范围和步长作为循环参数，利用并行计算工具自动完成所有参数组合的仿真。 [0064] 进一步，突防边界值求解单元求解突防边界值的另一种方法是二分法，飞机突防仿真中仿真参数共有9个，固定其中8维参数的取值，对剩余的一维参数用二分法求解，可以得到在固定场景下该维参数的突防边界值。 [0065] 5仿真结果分析模块设计 [0066] 针对每次突防仿真结果，根据突防过程中导弹高度、速度、脱靶量的变化，判断导弹是否命中高空高速飞机，若导弹没有命中高空高速飞机，则分析不命中原因，原因可能为导弹坠地、速度过小、脱靶量过大等。 [0067] 另外，为了能够更直观的观察突防仿真结果，本申请还包括显示模块，并通过flypath3d插件对仿真结果做了可视化处理，使得高空高速飞机突防全过程能够以动画的形式进行演示，让飞机设计人员直观的了解飞机突防过程中导弹与飞机相对位置变化的动态过程，以便更好的设计仿真参数，更高效的求解突防边界值。 [0068] 综上所述，本高空高速飞机突防生存力快速评估装置，能够实现高空高速飞机突防生存力的快速评估，加速飞机平台方案和突防方案的设计迭代，快速验证方案可行性，提高设计效率。在飞机方案设计阶段，利用传统方法进行突防生存力评估时，往往通过专家评审方法进行理论分析，强烈依赖于专家经验，只能给出定性结论，对飞机方案设计指导能力较差，本申请可以利用蒙特卡洛方法进行大量仿真，从仿真结果中给出定量分析结论，对飞机方案设计指导能力更强。 [0069] 本申请在仿真中应用带有飞机气动特性的六自由度模型，利用动态逆方法设计原理控制律，既能保证仿真精度，又能提高设计的快速性。在仿真过程中，如果利用经典控制律设计方法进行控制器设计，开发周期长，一旦飞机方案发生更改，需要重新设计控制律，而采用动态逆方法设计内环控制律，可以实现更换飞机数据后控制参数自动计算，方案迭代过程中不需要重复设计控制参数，提高评估效率。 [0070] 进一步，为解决设计过程中多个仿真参数的组合爆炸问题，本申请在simulink中设计了并行计算算法和二分法求解边界值算法，大大提高了仿真效率，缩短了飞机参数设计迭代周期。针对复杂的仿真结果，对仿真数据做了可视化处理，使飞机设计人员能够直观观察突防生存力仿真全过程及突防结果。 [0071] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。