半实物仿真技术概述

半实物仿真技术概述

赵洋

江南机电设计研究所，贵阳550009

摘要：半实物仿真技术随着计算机技术的发展已成为现代科技领域中的重要验证手段，其应用领域也从军事扩展到多个领域。本文介绍了半实物仿真技术的原理、特点及系统组成，对各分系统的仿真及接口技术进行了简要介绍。

关键词：半实物仿真；特性仿真；仿真技术

1引言

仿真技术综合了当代科学技术中众多现代化手段，尤其是随着20世纪40年代末计算机技术的发展，仿真技术在科学技术领域扮演着越来越重要的角色。半实物仿真技术已经从最初的应用于航空、航天、原子反应堆、兵器装备等研制周期长、危险性大、实际试验难以实现的领域，扩展到了军事、电子、交通、通信、机械制造等多个领域。半实物仿真将系统的一部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型，另一部分以实物方式引入仿真回路，解决了许多的复杂建模难题，其置信度高，具有安全性、有效性和可重复性等优点，因此受到了军事和民用等各行业的高度重视。

2半实物仿真技术

2.1半实物仿真原理

半实物仿真即硬件在回路的仿真，对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现，对比较复杂的部分或对其规律尚不清楚的部分，则直接采用物理模型或实物。

半实物仿真最主要的基础理论是相似理论，相似原理是指组成模型的每个要素必须与原型的对应要素相似。在构建半实物仿真系统时，用到的相似性主要包括以下几种：

1、时间与逻辑相似。半实物仿真中采用实时仿真算法在仿真计算机上实现模型的实时解算，采用数字光纤通信网络实现仿真设备间的通信，确保信号传输延迟周期在毫秒级。

2、空间几何关系相似。若空间自由体有六个自由度，则一般采用三轴转台实现三个姿态角的运动仿真，质心运动一般采用数学模型仿真。

3、环境相似。指仿真对象在仿真环境中所受的影响与其在外部物理环境中所受影响一致，包括力学环境、光学环境、电磁环境等。

2.2半实物仿真的特点

半实物仿真是面向某个系统和问题的仿真，将数学模型与物理模型或实物进行了结合，其主要特点有：

1、半实物仿真中可将原系统中很难建立准确数学模型的子系统和部件以实物代替，参与仿真试验，避免建模的困难；

2、半实物仿真能够进一步检验系统数学模型的正确性和数字仿真结果的准确性；

3、半实物仿真可以检验构成真实系统的某些实物部件乃至整个系统的性能指标及可靠性，准确调整系统参数和控制规律。

2.3半实物仿真系统的组成

半实物仿真系统的实际组成与具体的研究对象和研究目标有关，因此在细节上略有差异，以制导控制系统为例，半实物仿真试验系统一般由五个部分组成：

1、仿真设备：如各种目标模拟器、仿真计算机、飞行模拟转台、线加速度模拟器、负载力矩模拟器、卫星导航信号模拟器等；

2、参试部件：如制导控制计算机、陀螺仪、组合导航系统、舵机等；

3、各种接口设备：模拟量接口、数字量接口、实时数字通信系统等；

4、试验控制台：监视控制试验状态进程的装置，包括试验设备、试件状态信号监视系统、设备试件转台控制系统、仿真试验进程控制等；

5、支持服务系统：如显示、记录、文档处理等事后处理应用软件。

3分系统特性的仿真

3.1目标与环境特性的仿真

战场中的目标是指武器的作战对象，环境是指除目标以外的空间物质，包括干扰物、目标周围的背景和介质，如大气等。制导武器利用目标和环境的特性对其进行探测，从而获取目标与飞行器的相对信息进行打击。

目标特性是指目标本身的一种属性，指在相关环境中可以探测和识别的目标的光、声、电、辐射和传输等特性。目标与环境特性的仿真技术研究能够为武器系统的仿真提供目标和背景生成物理特征和数学模型，为靶标和诱饵研制提供逼真的目标浮现特性，提高系统可靠性及抗干扰能力，因此目标与环境特性的仿真研究具有重要意义。

目标与环境的仿真技术主要可以分为一下几类：

1、雷达目标特性仿真：雷达目标特性仿真用于模拟雷达发射的电磁波与目标相互作用产生的各种信息，通过对雷达回波的处理、分析和变换，实现对目标的分类辨认和识别；

2、可见光目标特性仿真：又称电视图像目标特性仿真，主要用于模拟目标背景在太阳光照射下向各个方向反射的辐射所呈现的空间特性、光谱特性和时间特性；

3、红外成像目标特性仿真：目标和背景的红外辐射特性用于其本身的形状、表面温度和表面材料的红外光谱发射率有关，红外成像目标特性仿真用于模拟目标背景自身的光辐射特性。

4、激光目标特性仿真：激光目标特性仿真基于目标的反射特性，用于模拟目标反射的激光反射信号的光斑大小、能量分布及光斑位置等特征。

3.2运动特性的仿真

半实物仿真中对运动特性的仿真主要是依靠对位移、速度、加速度的仿真来复现物体的运动。在运动特性模拟的过程中，主要应用的装置包括：

1、飞行转台。飞行转台是角运动仿真装置，用于模拟飞行器三个自由度的角运动，复现飞行器姿态角。以三轴飞行转台为例，具有内、中、外三个框架和三个自由度，在仿真过程中接收并跟踪仿真机发送的位置指令，将其转换为可被传感器测试的物理量，为参试设备提供实验条件。

2、运动平台。运动平台是线运动仿真装置，用于模拟运动体在空间的六自由度姿态运动。从构成上来讲，平台与转台相似，但区别在于最终的控制所实现的运动不同。

3、线加速度模拟器。线加速度模拟器是过载特性仿真装置，将仿真机输出的运动体质心各向线加速度电信号转换成加速度表能够敏感的机械线加速度。

3.3力与力矩的仿真

力与力矩特性的仿真是指采用一定的设备对力或力矩进行仿真，产生所需要的力或力矩。力和力矩的仿真设备主要包括：

1、负载力矩模拟器。负载力矩模拟器是随动负载特性仿真装置。随动负载是指作用在物体上的力或力矩随物体在空间的位置或状态而改变，以导弹为例，负载力矩模拟器用于仿真导弹在飞行时舵面受到的实时负载力矩。

2、高度模拟器/深度模拟器。高度模拟器属于气压仿真装置，深度模拟器属于水压仿真装置，两者都是典型的压力仿真装置。以高度模拟器为例，在半实物仿真试验中通过使固定容腔内的压力随高度变化而变化来实现高度模拟。

4接口技术

为了实现半实物仿真系统的集成仿真验证，各仿真设备和参试设备需要通过接口进行信息交互，接口间的通信必须满足时间逻辑相似，即在理想条件下零损失、零延迟、零衰减、零干扰，但在实际的仿真试验中无法达到以上目标，只能尽可能接近，因此各类接口需满足实时性、准确性、抗干扰性、可靠性等基本要求。

各设备间可以采用多种接口进行相互连接和通信，根据接口本身的特性及接口间传递信号性质的不同，可以分为模拟信号和数字信号两大类。

1、模拟信号

模拟信号主要用于传感器、模拟电路等参试设备与仿真计算机之间的信号传递，包括连续模拟量信号和离散模拟量信号两大类。连续模拟量信号包括模拟信号的AD和DA；离散模拟量信号包括开关量的DI和DO。

2、数字信号

数字信号一般包括串行数字信号、并行数字信号、通用网络、实时专用网络等。随着嵌入式计算机技术的发展，数字通信技术被广泛应用于半实物仿真中，成为了目前半实物仿真最主要的接口通信方式。

5结语

半实物仿真作为理论仿真和靶场试验之间的必备环节，能够对数学模型进行再次验证，同时降低靶场试验失败风险。半实物仿真作为一种对真实情况的模拟，目前技术已经比较成熟，但在对复杂大气环境、噪声信号干扰等的模拟还不够成熟。实时性的分析也是半实物仿真系统分析的一项可以继续深入研究的核心技术。

参考文献

[1] 郑国,杨锁昌,张宽桥.半实物仿真技术的研究现状及发展趋势[J].舰船电子工程.2016,11(3):8-11.

[2] 单家元,孟秀云,丁艳,等.半实物仿真[Ｍ].北京:国防工业出版社.2013:9-11.