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。
常晓飞，男，博士，副教授。2010年9月—至今，任职于西北工业大学航天学院。获奖情况：1．2014年，作为主要参与人员，申请西北工业大学“研究生高水平课程建设项目”，负责《仿真理论与仿真环境》的优秀课程建设工作；2．2014年度获“三秦学者”津贴；3．2018年4月，作为主要完成人“XXXX防御体系作战概念与关键技术研究”获得军队科学技术进步奖二等奖，个人排名第三。
目录
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
4.4.1 Windows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
4.4.6 VxWorks实时操作系统简介 154
4.4.7 RTX实时操作系统简介 158
4.4.8 QNX实时操作系统简介 165
4.5 典型实时仿真系统解决方案 172
4.5.1 iHawk并行计算机仿真系统 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 海鹰仿真工作站 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
5.2.2 TCP/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
5.3.4 ARINC429通信技术 204
5.3.5 MIL-STD-1553B总线通信技术 207
5.3.6 CAN总线通信技术 213
5.3.7 LVDS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
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