飞行器制导控制系统半实物仿真理论与技术

半实物仿真作为系统仿真技术的重要形式，具有无破坏性、可重复、安全、经济、可控等优点，可以达到节省研制经费、缩短研制周期、提高研制质量的目的，是制导控制系统研制过程中的重要检验步骤和评估手段，已经贯穿于制导控制系统研制的全寿命周期。本书围绕制导控制系统半实物仿真的任务需求，按照半实物仿真系统的工程研制过程进行内容展开。本书从基本概念建立、总体方案设计、仿真模型构建、关键设备研制、仿真试验开展等层次，详细论述半实物仿真技术所涉及的相关理论和仿真设备。本书可以供从事飞行器设计、制导控制系统研制、半实物仿真实验室建设的相关科研人员参考，也可以作为高等院校飞行器设计、制导控制系统设计、自动控制原理等专业的本科生及研究生的教材或教学参考书。

第1章飞行器制导控制系统半实物仿真总体概述1
1.1飞行器制导控制系统简介2
1.1.1制导控制系统的定义2
1.1.2制导控制系统的分类2
1.1.3制导控制系统的组成4
1.1.4制导控制系统的设计难度6
1.2制导控制系统仿真的相关概念7
1.2.1系统仿真的相关概念7
1.2.2系统仿真的基本原理9
1.2.3系统仿真的典型分类11
1.2.4系统仿真的一般过程12
1.2.5制导控制系统研制中的系统仿真作用13
1.3飞行器制导控制系统半实物仿真的概念及内涵15
1.3.1制导控制系统半实物仿真的概念及组成15
1.3.2制导控制系统半实物仿真的发展历史19
1.3.3制导控制系统半实物仿真中的关键技术22
1.3.4半实物仿真在制导控制系统研制中的作用26
1.4本章小结27
第2章飞行器制导控制系统半实物仿真总体方案29
2.1半实物仿真系统总体方案的设计思想29
2.1.1半实物仿真系统总体方案设计的难度分析29
2.1.2半实物仿真系统总体方案设计的要求31
2.1.3半实物仿真系统总体方案设计的内容33
2.1.4半实物仿真系统总体方案设计的流程35
2.2典型制导控制系统半实物仿真的总体框架设计36
2.2.1分布式仿真框架发展历程36
2.2.2半实物仿真框架设计特点38
2.2.3半实物仿真功能层次设计39
2.2.4半实物仿真运行阶段设计43
2.2.5半实物仿真事件消息设计44
2.2.6半实物仿真设备节点设计46
2.2.7半实物仿真运行机制设计47
2.3典型制导控制系统半实物仿真环境的组成方案47
2.3.1程控飞行器半实物仿真系统组成方案47
2.3.2图像制导飞行器半实物仿真系统组成方案52
2.3.3射频制导飞行器半实物仿真系统组成方案54
2.4本章小结57
第3章飞行器制导控制系统半实物仿真中的数学模型58
3.1仿真建模的基本原则和方法58
3.1.1仿真建模的基本原则58
3.1.2仿真建模的主要方法59
3.1.3飞行器数学模型的组成60
3.2典型飞行器动力学运动学方程61
3.2.1飞行器动力学运动学方程的理论基础62
3.2.2飞行器坐标系描述63
3.2.3飞行器坐标系转换关系65
3.2.4近程飞行器六自由度模型70
3.2.5远程飞行器动力学运动学模型73
3.2.6滚转导弹动力学运动学模型77
3.3典型制导控制系统部件的数学模型80
3.3.1探测系统数学模型80
3.3.2惯性测量器件数学模型84
3.3.3执行机构系统数学模型86
3.3.4动力系统数学模型90
3.4飞行环境模型95
3.4.1地球重力场模型95
3.4.2大气参数模型97
3.4.3大气风场模型102
3.4.4地球海浪模型110
3.5本章小结116
第4章仿真模型实时解算技术117
4.1仿真模型的解算算法117
4.1.1动力学常微分方程的数值积分方法118
4.1.2制导控制系统传递函数的离散化方法123
4.1.3环境模型和气动数据的插值求解方法127
4.2半实物仿真的实时特性分析130
4.2.1半实物仿真中的时间定义131
4.2.2半实物仿真中的时间特性分析132
4.2.3半实物仿真中的实时性能约束134
4.3仿真模型实时解算技术总体概述135
4.3.1仿真计算机的任务及功能要求135
4.3.2仿真计算机的发展历程136
4.3.3仿真计算机的分类方法138
4.3.4仿真计算机的系统架构139
4.3.5常用的仿真建模途径140
4.4实时操作系统技术概述142
4.4.1Windows操作系统实时性能分析143
4.4.2实时操作系统的相关概念146
4.4.3实时操作系统的性能要求147
4.4.4实时操作系统的性能评价149
4.4.5实时操作系统的典型代表152
4.4.6VxWorks实时操作系统简介154
4.4.7RTX实时操作系统简介158
4.4.8QNX实时操作系统简介165
4.5典型实时仿真系统解决方案172
4.5.1iHawk并行计算机仿真系统172
4.5.2EuroSim172
4.5.3Speedgoat172
4.5.4VeriStand173
4.5.5dSPACE173
4.5.6RT-LAB173
4.5.7YH-AStar173
4.5.8KDRTS174
4.5.9海鹰仿真工作站174
4.5.10HiGale174
4.5.11HRT1000174
4.5.12RTMSPlatform175
4.6仿真模型实时解算技术未来发展趋势175
4.7本章小结175
第5章半实物仿真系统中的通信接口技术177
5.1仿真系统中通信接口技术概述177
5.1.1半实物仿真系统中通信接口的类型177
5.1.2半实物仿真系统中通信接口的任务要求178
5.1.3半实物仿真系统中通信接口的性能要求179
5.2仿真通信网络接口技术180
5.2.1仿真通信网络的相关概念180
5.2.2TCP/IP通信技术184
5.2.3反射内存通信技术189
5.3仿真系统与参试产品之间的通信接口技术193
5.3.1模拟信号接口技术193
5.3.2数字输入/输出接口技术196
5.3.3串行通信技术198
5.3.4ARINC429通信技术204
5.3.5MIL-STD-1553B总线通信技术207
5.3.6CAN总线通信技术213
5.3.7LVDS通信技术216
5.4串行通信接口技术的未来发展趋势220
5.5本章小结220
第6章姿态运动特性仿真技术221
6.1陀螺仪工作特性分析221
6.1.1陀螺仪的工作原理222
6.1.2陀螺仪的误差表现223
6.1.3陀螺仪的误差起因224
6.2姿态运动仿真的概念及分类225
6.2.1姿态模拟器的任务及工作原理226
6.2.2姿态模拟器的发展历程226
6.2.3姿态模拟器的系统组成227
6.2.4姿态模拟器的分类229
6.2.5姿态模拟器的主要技术指标232
6.3姿态模拟器的关键技术内容研究234
6.3.1姿态模拟器的机械台体设计235
6.3.2姿态模拟器的结构特性分析237
6.3.3姿态模拟器的电气伺服系统选型240
6.3.4姿态模拟器的伺服控制方法243
6.3.5姿态模拟器的校准标定技术246
6.3.6姿态模拟器的控制软件设计248
6.3.7某型三轴转台的设计过程253
6.4姿态运动特性仿真的未来发展趋势257
6.5本章小结258
第7章气动负载仿真技术259
7.1舵机气动负载力矩简介259
7.1.1舵面气动负载的组成259
7.1.2舵面铰链力矩对于控制系统的影响260
7.1.3决定舵面铰链力矩大小的因素分析260
7.2气动负载仿真的概念及分类261
7.2.1气动负载模拟器的任务及工作原理262
7.2.2气动负载模拟器的发展历程262
7.2.3气动负载模拟器的系统组成264
7.2.4气动负载模拟器的分类264
7.2.5气动负载模拟器的主要技术指标268
7.3气动负载模拟器的多余力矩问题272
7.3.1多余力矩问题的相关概念272
7.3.2多余力矩问题的特点分析及影响分析274
7.3.3多余力矩问题的常用补偿方法275
7.4某型电动式负载模拟器的设计过程281
7.4.1某型电动式负载模拟器的功能要求及技术指标281
7.4.2某型电动式负载模拟器的总体方案规划283
7.4.3某型电动式负载模拟器的硬件设计选型285
7.4.4某型电动式负载模拟器的软件方案设计292
7.4.5某型电动式负载模拟器的数学模型推导297
7.4.6某型电动式负载模拟器的设计结果305
7.5气动负载仿真技术的未来发展趋势306
7.6本章小结306
第8章红外场景实时仿真技术308
8.1红外制导技术简介308
8.1.1红外制导技术的特点及发展历程308
8.1.2红外制导的工作原理309
8.1.3红外制导面临的挑战及发展趋势311
8.2红外场景动态仿真技术总体概述312
8.2.1红外场景动态仿真的发展312
8.2.2红外场景动态仿真的任务313
8.2.3红外场景动态仿真的分类313
8.2.4红外场景动态仿真的组成314
8.3红外场景建模计算技术315
8.3.1红外场景建模计算的方法及步骤315
8.3.2典型作战场景三维建模方法318
8.3.3红外辐射计算的理论基础321
8.3.4典型背景红外辐射计算方法323
8.3.5典型目标红外特征计算方法330
8.3.6典型红外干扰辐射计算方法335
8.3.7红外场景大气传输效应计算339
8.3.8典型红外场景建模软件343
8.4红外辐射场景动态生成技术346
8.4.1红外辐射场景动态生成装置的发展及分类346
8.4.2红外辐射场景动态生成装置的主要技术指标351
8.4.3红外点源目标模拟器354
8.4.4基于MOS电阻阵列的红外辐射场景动态生成装置357
8.4.5基于DMD微反射镜阵列的红外辐射场景动态生成装置363
8.5红外场景仿真的未来发展趋势369
8.6本章小结370
第9章射频电磁环境动态仿真技术371
9.1雷达制导技术简介371
9.1.1雷达射频制导的发展及分类371
9.1.2雷达导引头的分类及组成374
9.1.3雷达测量的基本工作原理381
9.1.4雷达导引头面临的挑战及发展趋势383
9.2射频电磁环境仿真技术总体概述384
9.2.1射频电磁环境仿真的发展384
9.2.2射频电磁环境仿真的任务385
9.2.3射频电磁环境仿真的分类386
9.2.4射频电磁环境仿真的组成387
9.3复杂电磁环境的射频信号计算技术387
9.3.1复杂电磁环境计算的主要内容388
9.3.2典型目标回波信号计算391
9.3.3典型杂波干扰信号计算397
9.3.4典型射频诱饵干扰计算402
9.3.5大气传输损耗计算412
9.4射频场景模拟器技术415
9.4.1射频场景模拟器的分类415
9.4.2射频信号生成系统的设计416
9.4.3天线阵列及馈电系统的设计419
9.4.4射频信号校准系统的设计425
9.4.5射频场景模拟器的主要指标428
9.5微波暗室技术430
9.5.1微波暗室的任务及发展430
9.5.2微波暗室的工作机理432
9.5.3微波暗室的类型分类434
9.5.4微波暗室的组成437
9.5.5微波暗室的主要指标441
9.5.6微波暗室的设计过程444
9.5.7微波暗室的性能测试方法448
9.6射频场景仿真技术的未来发展趋势449
9.6.1提高模拟射频信号的性能要求449
9.6.2提升模拟射频场景的复杂程度449
9.6.3扩展模拟射频场景的波段范围450
9.6.4开展射频场景的复合仿真450
9.7本章小结450
第10章卫星导航信号仿真技术451
10.1卫星导航技术简介451
10.1.1全球导航卫星系统发展概况451
10.1.2卫星导航系统的组成453
10.1.3卫星导航系统定位原理454
10.1.4卫星导航系统导航信号组成460
10.1.5卫星导航信号中的噪声及干扰460
10.2卫星导航信号仿真的概念及分类461
10.2.1卫星导航信号仿真的任务462
10.2.2卫星导航信号仿真的组成及工作原理462
10.2.3卫星导航信号仿真的发展历程463
10.2.4卫星导航信号仿真的主要技术指标464
10.2.5卫星导航信号仿真技术的优点467
10.3卫星导航信号仿真的系统实现467
10.3.1卫星导航信号仿真系统的总体架构467
10.3.2卫星导航信号仿真中空间星座计算468
10.3.3卫星导航信号仿真中信号传输影响475
10.3.4卫星导航信号仿真中终端信号计算493
10.3.5卫星导航信号仿真中载波信号编码500
10.3.6卫星导航信号仿真中射频信号合成511
10.3.7典型的卫星导航信号模拟器513
10.4卫星导航信号仿真的未来发展趋势516
10.5本章小结516
第11章制导控制半实物仿真系统研制、集成、试验与评估技术517
11.1制导控制半实物仿真系统的项目研制过程517
11.1.1制导控制半实物仿真系统的方案论证阶段519
11.1.2制导控制半实物仿真系统的方案设计阶段521
11.1.3制导控制半实物仿真系统的项目研制阶段523
11.1.4制导控制半实物仿真系统的集成联试阶段524
11.1.5制导控制半实物仿真系统的验收交付阶段524
11.2制导控制半实物仿真系统的设备总体集成525
11.2.1制导控制半实物仿真系统的集成联试目标525
11.2.2制导控制半实物仿真系统的集成联试内容526
11.2.3制导控制半实物仿真系统的集成联试步骤527
11.3制导控制半实物仿真系统的试验方案设计528
11.3.1制导控制半实物仿真系统的试验内容设计529
11.3.2制导控制半实物仿真系统的偏差参数分析531
11.3.3制导控制半实物仿真系统的试验设计原理535
11.3.4制导控制半实物仿真系统的试验设计536
11.3.5制导控制半实物仿真系统的试验设计方法537
11.4制导控制半实物仿真系统的试验过程管理541
11.4.1制导控制半实物仿真系统的试验管理文档541
11.4.2制导控制半实物仿真系统的试验过程操作544
11.4.3制导控制半实物仿真系统的异常处理设计545
11.5制导控制半实物仿真系统的试验数据分析技术549
11.5.1制导控制半实物仿真系统的试验数据分析内容549
11.5.2制导控制半实物仿真系统的试验数据处理方法551
11.5.3制导控制半实物仿真系统的试验数据分析方法555
11.6制导控制半实物仿真系统的试验结果评估技术556
11.6.1制导控制半实物仿真系统的试验一致性评估方法557
11.6.2制导控制半实物仿真系统的试验可信度评估方法559
11.6.3制导控制半实物仿真系统的试验误差影响分析564
11.7本章小结567
参考文献569