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基于JSBSim的通用空中目标机动仿真模型设计及实现郭亚军丁华杨登泰周兴栋摘要：为解决空空导弹试验鉴定数字仿真中目标模型机动样式少、可扩展性差的问题，本文开展了六自由度空中目标机动仿真模型的设计和实现。设计了不同目标机动方式下的法向过载、切向过载、滚转角过载控制律模型;设计了从三个通道过载解算飞机升降舵、副翼及油门杆操纵指令之间关系的控制模型;基于开源、开放的飞行动力学模型框架JSBSim开展目标机动仿真模型的实现。研究的仿真模型应用于某型空空导弹鉴定的全数字仿真试验中，比对结果表明，目标模型的仿真机动轨迹与预期机动样式及机动参数较为吻合。关键词：空中目标;机动仿真模型;控制律;JSBSim;试验鉴定中图分类号：TJ765.4文献标识码：A文章编号：1673-5048（2021）03-0077-060引言机载制导武器试验鉴定越来越倾向于采用“实装与仿真相结合”的方式进行，尤其随着建模理论和计算机技术的不断提高，仿真试验在武器战术技术指标考核评定中的权重越来越大[1-4]。构建高置信度的空中目标模型，是确保导弹制导精度、单发杀伤概率、抗干扰成功概率等指标客观公正评价的基础。受认识水平和仿真系统软硬件条件限制，原空空导弹试验鉴定全数字仿真系统采用简化的三自由度目标运动模型，目标类型少、机动样式少、可扩展性差，无法模拟敌先进作战飞机的机动特性。为提高试验鉴定的置信度，满足新型空空导弹仿真试验与结果评定要求，需研究开发六自由度空中目标机动模型。传统的飞机机动仿真通常采用六自由度刚体动力学模型，通过输入驾驶杆或舵面操纵量实现飞机的机动飞行。试验鉴定仿真是基于目标机动动作样式和动作参数确定条件下的仿真，对于目标飞机的仿真实现而言，若使用飞机六自由度刚体动力学模型，就需要根据给定的机动要求解算出目标飞机的发动机油门和驾驶杆的操纵量，是解方程的逆问题。国内相关研究院所对飞机六自由度刚体动力学模型的研究探索有很多，文献[5-6]介绍了以飞机法向过载、切向过载、滚转角为输入参数的飞机动力学模型，实现了基于预期机动的飞机仿真模型，可满足空战战术和战法研究，但该方法存在飞机动力学模型过于简化、置信度较低、通用性较差等问题。文献[7-10]设计了飞行机动指令生成器和机动指令跟踪器，可较好实现一些典型机动飞行。文献[11]建立了目标飞机飞行运动模型和基本飞行机动控制方法，并设计了目标飞机进攻、防御战术机动动作，但上述机动实现都是基于飞机三自由度模型。本文在上述文献模型设计方法的基础上，基于飞机六自由度模型，按照满足灵活快捷改变目标类型、机动样式等试验仿真需要，设计不同机动样式的过载控制律模型，建立法向过载、切向过载、滚转角与飞机升降舵、副翼及油门杆操纵指令之间的自动控制关系，并基于开源、开放的飞行动力学JSBSim模型框架进行仿真实现。1总体思路及设计实现1.1总体思路空空导弹试验鉴定仿真需要模拟空战过程敌机的一系列逃逸动作，例如某导弹仿真试验条件要求目标机“弹目距离5km后做跃升半滚+下滑倒转”。由此可见，试验仿真所需的目标机动仿真模型输入条件是目标机动动作想定（机动策略），输出值是目标的六自由度运动参数。而六自由度的机动仿真模型以飞机运动学方程和推力模型作为支撑，需要把机动要求转化为六自由度刚体动力学模型所需的发动机推力和舵面操纵量。JSBSim是一种开源的、支持多平台的、由数据驱动的通用飞行动力学模型框架[12-13]，其本质上是一个物理/数学模型，模型框架的“类”之间类似于一个树形结构，如图1所示。飞行动力学模型框架JSBSim采用面向对象的C++语言编写，定义了飞机在受到控制装置的力和力矩以及自然力作用下产生的运动，其使用经典的系数构造法建模气动力和力矩，数据由脚本文件和各种飞机的配置文件输入，通过XML建模技术实现对不同机型的仿真。JSBSim模块可独立运行，也可以集成在相关系统的飞行器中运行[14-16]，为实现目标机动仿真提供了便利。1.2设计实现基于JSBSim的通用空中目标机动仿真模型设计及实现总体流程如图2所示。首先，根据过载控制律的设计思路，按照机动动作的输入条件（例如，水平盘旋以及盘旋的坡度/过载、角度/持续时间、方向等）计算出目标机动的法向过载、切向过载以及滚转角的指令值，再根据飞行控制设计要求，计算出目标实施机动所需的油门杆操纵量、升降舵操纵量和副翼操纵量。然后，基于JSBSim的飞控算法，将油门杆操纵量、升降舵操纵量和副翼操纵量转换为发动机推力、升降舵面位置和副翼舵面位置，并将得到的飞机气动面参数输入到JSBSim六自由度刚体运动学模型，最终得到目标机动的飞行仿真运动参数（包括法向加速度、切向加速度和实际滚转角）。最后，通过自动控制设计的负反馈机制，保证目标按设计的实时指令值（法向过载指令值、切向过载指令值和滚转角指令值）