半實物仿真作為系統仿真技術的重要形式，具有無破壞性、可重復、安全、經濟、可控等優點，可以達到節省研制經費、縮短研制周期、提高研制質量的目的，是制導控制系統研制過程中的重要檢驗步驟和評估手段，已經貫穿于制導控制系統研制的全壽命周期。本書圍繞制導控制系統半實物仿真的任務需求，按照半實物仿真系統的工程研制過程進行內容展開。本書從基本概念建立、總體方案設計、仿真模型構建、關鍵設備研制、仿真試驗開展等層次，詳細論述半實物仿真技術所涉及的相關理論和仿真設備。本書可以供從事飛行器設計、制導控制系統研制、半實物仿真實驗室建設的相關科研人員參考，也可以作為高等院校飛行器設計、制導控制系統設計、自動控制原理等專業的本科生及研究生的教材或教學參考書。
常曉飛，男，博士，副教授。2010年9月—至今，任職于西北工業大學航天學院。獲獎情況：1．2014年，作為主要參與人員，申請西北工業大學“研究生高水平課程建設項目”，負責《仿真理論與仿真環境》的優秀課程建設工作；2．2014年度獲“三秦學者”津貼；3．2018年4月，作為主要完成人“XXXX防御體系作戰概念與關鍵技術研究”獲得軍隊科學技術進步獎二等獎，個人排名第三。
目錄
第1章 飛行器制導控制系統半實物仿真總體概述 1
1.1 飛行器制導控制系統簡介 2
1.1.1 制導控制系統的定義 2
1.1.2 制導控制系統的分類 2
1.1.3 制導控制系統的組成 4
1.1.4 制導控制系統的設計難度 6
1.2 制導控制系統仿真的相關概念 7
1.2.1 系統仿真的相關概念 7
1.2.2 系統仿真的基本原理 9
1.2.3 系統仿真的典型分類 11
1.2.4 系統仿真的一般過程 12
1.2.5 制導控制系統研制中的系統仿真作用 13
1.3 飛行器制導控制系統半實物仿真的概念及內涵 15
1.3.1 制導控制系統半實物仿真的概念及組成 15
1.3.2 制導控制系統半實物仿真的發展歷史 19
1.3.3 制導控制系統半實物仿真中的關鍵技術 22
1.3.4 半實物仿真在制導控制系統研制中的作用 26
1.4 本章小結 27
第2章 飛行器制導控制系統半實物仿真總體方案 29
2.1 半實物仿真系統總體方案的設計思想 29
2.1.1 半實物仿真系統總體方案設計的難度分析 29
2.1.2 半實物仿真系統總體方案設計的要求 31
2.1.3 半實物仿真系統總體方案設計的內容 33
2.1.4 半實物仿真系統總體方案設計的流程 35
2.2 典型制導控制系統半實物仿真的總體框架設計 36
2.2.1 分布式仿真框架發展歷程 36
2.2.2 半實物仿真框架設計特點 38
2.2.3 半實物仿真功能層次設計 39
2.2.4 半實物仿真運行階段設計 43
2.2.5 半實物仿真事件消息設計 44
2.2.6 半實物仿真設備節點設計 46
2.2.7 半實物仿真運行機制設計 47
2.3 典型制導控制系統半實物仿真環境的組成方案 47
2.3.1 程控飛行器半實物仿真系統組成方案 47
2.3.2 圖像制導飛行器半實物仿真系統組成方案 52
2.3.3 射頻制導飛行器半實物仿真系統組成方案 54
2.4 本章小結 57
第3章 飛行器制導控制系統半實物仿真中的數學模型 58
3.1 仿真建模的基本原則和方法 58
3.1.1 仿真建模的基本原則 58
3.1.2 仿真建模的主要方法 59
3.1.3 飛行器數學模型的組成 60
3.2 典型飛行器動力學運動學方程 61
3.2.1 飛行器動力學運動學方程的理論基礎 62
3.2.2 飛行器坐標系描述 63
3.2.3 飛行器坐標系轉換關系 65
3.2.4 近程飛行器六自由度模型 70
3.2.5 遠程飛行器動力學運動學模型 73
3.2.6 滾轉導彈動力學運動學模型 77
3.3 典型制導控制系統部件的數學模型 80
3.3.1 探測系統數學模型 80
3.3.2 慣性測量器件數學模型 84
3.3.3 執行機構系統數學模型 86
3.3.4 動力系統數學模型 90
3.4 飛行環境模型 95
3.4.1 地球重力場模型 95
3.4.2 大氣參數模型 97
3.4.3 大氣風場模型 102
3.4.4 地球海浪模型 110
3.5 本章小結 116
第4章 仿真模型實時解算技術 117
4.1 仿真模型的解算算法 117
4.1.1 動力學常微分方程的數值積分方法 118
4.1.2 制導控制系統傳遞函數的離散化方法 123
4.1.3 環境模型和氣動數據的插值求解方法 127
4.2 半實物仿真的實時特性分析 130
4.2.1 半實物仿真中的時間定義 131
4.2.2 半實物仿真中的時間特性分析 132
4.2.3 半實物仿真中的實時性能約束 134
4.3 仿真模型實時解算技術總體概述 135
4.3.1 仿真計算機的任務及功能要求 135
4.3.2 仿真計算機的發展歷程 136
4.3.3 仿真計算機的分類方法 138
4.3.4 仿真計算機的系統架構 139
4.3.5 常用的仿真建模途徑 140
4.4 實時操作系統技術概述 142
4.4.1 Windows操作系統實時性能分析 143
4.4.2 實時操作系統的相關概念 146
4.4.3 實時操作系統的性能要求 147
4.4.4 實時操作系統的性能評價 149
4.4.5 實時操作系統的典型代表 152
4.4.6 VxWorks實時操作系統簡介 154
4.4.7 RTX實時操作系統簡介 158
4.4.8 QNX實時操作系統簡介 165
4.5 典型實時仿真系統解決方案 172
4.5.1 iHawk并行計算機仿真系統 172
4.5.2 EuroSim 172
4.5.3 Speedgoat 172
4.5.4 VeriStand 173
4.5.5 dSPACE 173
4.5.6 RT-LAB 173
4.5.7 YH-AStar 173
4.5.8 KDRTS 174
4.5.9 海鷹仿真工作站 174
4.5.10 HiGale 174
4.5.11 HRT1000 174
4.5.12 RTMSPlatform 175
4.6 仿真模型實時解算技術未來發展趨勢 175
4.7 本章小結 175
第5章 半實物仿真系統中的通信接口技術 177
5.1 仿真系統中通信接口技術概述 177
5.1.1 半實物仿真系統中通信接口的類型 177
5.1.2 半實物仿真系統中通信接口的任務要求 178
5.1.3 半實物仿真系統中通信接口的性能要求 179
5.2 仿真通信網絡接口技術 180
5.2.1 仿真通信網絡的相關概念 180
5.2.2 TCP/IP通信技術 184
5.2.3 反射內存通信技術 189
5.3 仿真系統與參試產品之間的通信接口技術 193
5.3.1 模擬信號接口技術 193
5.3.2 數字輸入/輸出接口技術 196
5.3.3 串行通信技術 198
5.3.4 ARINC429通信技術 204
5.3.5 MIL-STD-1553B總線通信技術 207
5.3.6 CAN總線通信技術 213
5.3.7 LVDS通信技術 216
5.4 串行通信接口技術的未來發展趨勢 220
5.5 本章小結 220
第6章 姿態運動特性仿真技術 221
6.1 陀螺儀工作特性分析 221
6.1.1 陀螺儀的工作原理 222
6.1.2 陀螺儀的誤差表現 223
6.1.3 陀螺儀的誤差起因 224
6.2 姿態運動仿真的概念及分類 225
6.2.1 姿態模擬器的任務及工作原理 226
6.2.2 姿態模擬器的發展歷程 226
6.2.3 姿態模擬器的系統組成 227
6.2.4 姿態模擬器的分類 229
6.2.5 姿態模擬器的主要技術指標 232
6.3 姿態模擬器的關鍵技術內容研究 234
6.3.1 姿態模擬器的機械臺體設計 235
6.3.2 姿態模擬器的結構特性分析 237
6.3.3 姿態模擬器的電氣伺服系統選型 240
6.3.4 姿態模擬器的伺服控制方法 243
6.3.5 姿態模擬器的校準標定技術 246
6.3.6 姿態模擬器的控制軟件設計 248
6.3.7 某型三軸轉臺的設計過程 253
6.4 姿態運動特性仿真的未來發展趨勢 257
6.5 本章小結 258
第7章 氣動負載仿真技術 259
7.1 舵機氣動負載力矩簡介 259
7.1.1 舵面氣動負載的組成 259
7.1.2 舵面鉸鏈力矩對于控制系統的影響 260
7.1.3 決定舵面鉸鏈力矩大小的因素分析 260
7.2 氣動負載仿真的概念及分類 261
7.2.1 氣動負載模擬器的任務及工作原理 262
7.2.2 氣動負載模擬器的發展歷程 262
7.2.3 氣動負載模擬器的系統組成 264
7.2.4 氣動負載模擬器的分類 264
7.2.5 氣動負載模擬器的主要技術指標 268
7.3 氣動負載模擬器的多余力矩問題 272
7.3.1 多余力矩問題的相關概念 272
7.3.2 多余力矩問題的特點分析及影響分析 274
7.3.3 多余力矩問題的常用補償方法 275
7.4 某型電動式負載模擬器的設計過程 281
7.4.1 某型電動式負載模擬器的功能要求及技術指標 281
7.4.2 某型電動式負載模擬器的總體方案規劃 283
7.4.3 某型電動式負載模擬器的硬件設計選型 285
7.4.4 某型電動式負載模擬器的軟件方案設計 292
7.4.5 某型電動式負載模擬器的數學模型推導 297
7.4.6 某型電動式負載模擬器的設計結果 305
7.5 氣動負載仿真技術的未來發展趨勢 306
7.6 本章小結 306
第8章 紅外場景實時仿真技術 308
8.1 紅外制導技術簡介 308
8.1.1 紅外制導技術的特點及發展歷程 308
8.1.2 紅外制導的工作原理 309
8.1.3 紅外制導面臨的挑戰及發展趨勢 311
8.2 紅外場景動態仿真技術總體概述 312
8.2.1 紅外場景動態仿真的發展 312
8.2.2 紅外場景動態仿真的任務 313
8.2.3 紅外場景動態仿真的分類 313
8.2.4 紅外場景動態仿真的組成 314
8.3 紅外場景建模計算技術 315
8.3.1 紅外場景建模計算的方法及步驟 315
8.3.2 典型作戰場景三維建模方法 318
8.3.3 紅外輻射計算的理論基礎 321
8.3.4 典型背景紅外輻射計算方法 323
8.3.5 典型目標紅外特征計算方法 330
8.3.6 典型紅外干擾輻射計算方法 335
8.3.7 紅外場景大氣傳輸效應計算 339
8.3.8 典型紅外場景建模軟件 343
8.4 紅外輻射場景動態生成技術 346
8.4.1 紅外輻射場景動態生成裝置的發展及分類 346
8.4.2 紅外輻射場景動態生成裝置的主要技術指標 351
8.4.3 紅外點源目標模擬器 354
8.4.4 基于MOS電阻陣列的紅外輻射場景動態生成裝置 357
8.4.5 基于DMD微反射鏡陣列的紅外輻射場景動態生成裝置 363
8.5 紅外場景仿真的未來發展趨勢 369
8.6 本章小結 370
第9章 射頻電磁環境動態仿真技術 371
9.1 雷達制導技術簡介 371
9.1.1 雷達射頻制導的發展及分類 371
9.1.2 雷達導引頭的分類及組成 374
9.1.3 雷達測量的基本工作原理 381
9.1.4 雷達導引頭面臨的挑戰及發展趨勢 383
9.2 射頻電磁環境仿真技術總體概述 384
9.2.1 射頻電磁環境仿真的發展 384
9.2.2 射頻電磁環境仿真的任務 385
9.2.3 射頻電磁環境仿真的分類 386
9.2.4 射頻電磁環境仿真的組成 387
9.3 復雜電磁環境的射頻信號計算技術 387
9.3.1 復雜電磁環境計算的主要內容 388
9.3.2 典型目標回波信號計算 391
9.3.3 典型雜波干擾信號計算 397
9.3.4 典型射頻誘餌干擾計算 402
9.3.5 大氣傳輸損耗計算 412
9.4 射頻場景模擬器技術 415
9.4.1 射頻場景模擬器的分類 415
9.4.2 射頻信號生成系統的設計 416
9.4.3 天線陣列及饋電系統的設計 419
9.4.4 射頻信號校準系統的設計 425
9.4.5 射頻場景模擬器的主要指標 428
9.5 微波暗室技術 430
9.5.1 微波暗室的任務及發展 430
9.5.2 微波暗室的工作機理 432
9.5.3 微波暗室的類型分類 434
9.5.4 微波暗室的組成 437
9.5.5 微波暗室的主要指標 441
9.5.6 微波暗室的設計過程 444
9.5.7 微波暗室的性能測試方法 448
9.6 射頻場景仿真技術的未來發展趨勢 449
9.6.1 提高模擬射頻信號的性能要求 449
9.6.2 提升模擬射頻場景的復雜程度 449
9.6.3 擴展模擬射頻場景的波段范圍 450
9.6.4 開展射頻場景的復合仿真 450
9.7 本章小結 450
第10章 衛星導航信號仿真技術 451
10.1 衛星導航技術簡介 451
10.1.1 全球導航衛星系統發展概況 451
10.1.2 衛星導航系統的組成 453
10.1.3 衛星導航系統定位原理 454
10.1.4 衛星導航系統導航信號組成 460
10.1.5 衛星導航信號中的噪聲及干擾 460
10.2 衛星導航信號仿真的概念及分類 461
10.2.1 衛星導航信號仿真的任務 462
10.2.2 衛星導航信號仿真的組成及工作原理 462
10.2.3 衛星導航信號仿真的發展歷程 463
10.2.4 衛星導航信號仿真的主要技術指標 464
10.2.5 衛星導航信號仿真技術的優點 467
10.3 衛星導航信號仿真的系統實現 467
10.3.1 衛星導航信號仿真系統的總體架構 467
10.3.2 衛星導航信號仿真中空間星座計算 468
10.3.3 衛星導航信號仿真中信號傳輸影響 475
10.3.4 衛星導航信號仿真中終端信號計算 493
10.3.5 衛星導航信號仿真中載波信號編碼 500
10.3.6 衛星導航信號仿真中射頻信號合成 511
10.3.7 典型的衛星導航信號模擬器 513
10.4 衛星導航信號仿真的未來發展趨勢 516
10.5 本章小結 516
第11章 制導控制半實物仿真系統研制、集成、試驗與評估技術 517
11.1 制導控制半實物仿真系統的項目研制過程 517
11.1.1 制導控制半實物仿真系統的方案論證階段 519
11.1.2 制導控制半實物仿真系統的方案設計階段 521
11.1.3 制導控制半實物仿真系統的項目研制階段 523
11.1.4 制導控制半實物仿真系統的集成聯試階段 524
11.1.5 制導控制半實物仿真系統的驗收交付階段 524
11.2 制導控制半實物仿真系統的設備總體集成 525
11.2.1 制導控制半實物仿真系統的集成聯試目標 525
11.2.2 制導控制半實物仿真系統的集成聯試內容 526
11.2.3 制導控制半實物仿真系統的集成聯試步驟 527
11.3 制導控制半實物仿真系統的試驗方案設計 528
11.3.1 制導控制半實物仿真系統的試驗內容設計 529
11.3.2 制導控制半實物仿真系統的偏差參數分析 531
11.3.3 制導控制半實物仿真系統的試驗設計原理 535
11.3.4 制導控制半實物仿真系統的試驗設計 536
11.3.5 制導控制半實物仿真系統的試驗設計方法 537
11.4 制導控制半實物仿真系統的試驗過程管理 541
11.4.1 制導控制半實物仿真系統的試驗管理文檔 541
11.4.2 制導控制半實物仿真系統的試驗過程操作 544
11.4.3 制導控制半實物仿真系統的異常處理設計 545
11.5 制導控制半實物仿真系統的試驗數據分析技術 549
11.5.1 制導控制半實物仿真系統的試驗數據分析內容 549
11.5.2 制導控制半實物仿真系統的試驗數據處理方法 551
11.5.3 制導控制半實物仿真系統的試驗數據分析方法 555
11.6 制導控制半實物仿真系統的試驗結果評估技術 556
11.6.1 制導控制半實物仿真系統的試驗一致性評估方法 557
11.6.2 制導控制半實物仿真系統的試驗可信度評估方法 559
11.6.3 制導控制半實物仿真系統的試驗誤差影響分析 564
11.7 本章小結 567
參考文獻 569
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