水下自主航行器半實物仿真系統設計與實現*

李 和

(中國科學院聲學研究所,北京 100080)

0 引言

水下自主航行器是攻擊潛艇、航母、水面艦艇、岸基設施的有力武器。作為一次性使用武器,水下自主航行器的航行性能品質至關重要。水下航行器實航試驗是對其技術性能指標最可靠的考核手段,要想全面的檢驗水下航行器的性能必須進行大量的實航試驗。但是由于受到試驗經費、時間及其他條件的制約,試驗次數是有限的。因此,憑借有限條次的實航試驗所得出的結論其可信度通常是比較低的。為了減少在實際使用中的故障和損失,在水下航行器項目的指標論證、方案設計、設備研制、生產、試驗、部隊訓練等全生命周期,均采用了仿真測試技術,對產品性能指標進行綜合全面的考核[1]。目前,仿真技術已經成為水下航行器研制和實驗中的先導技術、校驗技術和分析技術。

1 總體設計

智能聲制導水下航行器是水下自主航行器發展的主要方向之一,它由自導系統和控制系統組成,兩大系統協調工作,完成對目標的搜索、捕獲、跟蹤和攻擊。仿真系統可以在實驗室環境條件下,對自導-控制系統的協調工作進行調試和考察。該系統主要包括回波信號的仿真、水聲環境仿真、水下航行器流體動力仿真、傳感器仿真、水下航行器和目標的運動學仿真等。通過模擬水下航行器實航時自導、控制系統工作環境,考察自導系統和自導-控制兩大系統的聯合工作狀態,避免相互產生反饋式交聯,并分析彈道的穩定性。

仿真系統采用機械對接的辦法傳遞水下環境和目標數據[2]。硬件包括目標模擬計算機、控制仿真計算機、彈道顯示計算機、顯控計算機、聲耦合對接裝置(對接陣)、PCI數據輸出卡、D/A 轉換設備、施矩器、力矩D/A和負載模擬器。為了在湖海試驗中仿真設備便于隨產品轉移和使用,其中的施矩器、力矩D/A、負載模擬器可以用仿真模型代替,將模型軟件加入到控制仿真計算機。在接收水下航行器控制系統的舵令后,控制仿真計算機產生傳感器信號并反饋給水下航行器控制系統。

軟件設計充分考慮系統實現的可能性,采用了自頂向下、模塊化、結構化的設計方法,使程序結構清楚、可靠性好,便于編寫和調試。從發射、搜索、捕獲、跟蹤到攻擊目標,根據不同的水下環境和目標特征,水下航行器采用不同的搜索、捕獲、跟蹤和攻擊策略,分支條件多,信號處理強度大,水下彈道復雜,為滿足水下自主航行器的調試和測試需要,仿真系統提供文本格式的參數錄入和參數自動記錄的功能。仿真系統結構圖如圖1。

圖1 仿真系統結構圖

工作時將水下航行器實物(自導頭和電子艙—自導控制系統)加入仿真回路,組成半實物的仿真系統。仿真過程中,目標模擬計算機用于產生水下環境和目標回波信號;控制仿真計算機根據水下航行器的流體動力特性,模擬水下航行器各種運動過程;彈道顯示計算機用于顯示水下航行器和目標在水下的運動狀態;舵負載模擬機模擬水流對舵面的作用,根據控制機發出的操舵指令以及航行參數計算出舵軸所受負載力矩,經D/A轉換后通過施矩器向舵軸施加力矩;顯控計算機是仿真試驗過程的控制樞紐,通過人機交互界面,設定仿真試驗參數,監視和控制仿真進程,提供系統的時統、同步功能,顯示航行器、目標及仿真系統的狀態及參數。顯控計算機、目標模擬計算機、控制計算機、彈道顯示計算機和電子艙之間通過局域網進行通訊,傳送數據[3]。

2 硬件系統設計

2.1 對接陣設計

目前水下航行器仿真信號輸入主要采用三種方法:直接水聲物理場法、數字信號導入法、機械對接法[2]。

綜合考慮經費、時間和使用環境等因素,本系統采用機械對接法。通過將仿真系統的對接陣和水下航行器聲基陣機械對接,傳遞水下航行器在水下接收到的噪聲和目標信號。

對接陣由聲對接換能器基陣和對接、定位、加壓等機械裝置組成。對接陣結構如圖2所示。

圖2 對接陣結構圖

2.2 D/A轉換裝置設計

D/A轉換裝置基于 Windows2000操作系統和PCI總線,使用Visual C++作為開發平臺,能夠提供多通道同步連續水聲陣列信號,單通道D/A變換器采樣頻率高達200kHz,采樣精度14bit。

D/A轉換裝置包括PCI數據輸出卡和D/A變換卡。

1)PCI數據輸出卡

PCI數據輸出卡是一個帶有1536KB FIFO的通用PCI卡,在 Windows 2000操作系統下,它能以16MB/s的速度連續輸出數據。圖3是PCI數據輸出卡的結構框圖,整個PCI數據輸出卡包括PCI接口、大容量FIFO存儲器和驅動器3個模塊。

圖3 PCI數據輸出卡結構框圖

·PCI接口模塊

PCI接口模塊由 PCI9052和配置 EEPROM 93LC46組成。它可作為PCI總線的從設備,支持32位數據突發傳輸。

·存儲器模塊

由CPLD器件EPM7128SQC100和4片FIFO器件AL422B組成。4片AL422B通過寬度擴展成384K x 32的FIFO存儲器。

2)D/A變換卡設計

D/A變換卡的結構框圖如圖 4所示,CPLD是D/A變換卡的控制核心,它接收PCI數據輸出卡的數據,并以此為依據控制DA模塊工作;D/A變換模塊負責初始模擬信號生成,放大平滑濾波模塊控制輸出信號的量程并實現平滑濾波。

圖4 D/A變換卡結構框圖

·CPLD設計

CPLD是D/A板的控制核心,采用Altera公司的EPM7256SRC208-10,由它接收PCI數據輸出卡的數據,并控制DA模塊工作。

·D/A模塊

D/A芯片選擇TI公司的DAC2904,14bit精度,125MSBS采樣率,在WRT信號的上升沿,D/A數據送入輸入緩沖區,在WRT信號的下降沿,D/A數據送入輸出緩沖區,在DA_CLK的上升沿,完成D/A變換。

·放大平滑濾波模塊

DAC2904輸出為-1～1V階躍型波,通過放大平滑濾波模塊調整成-5～+5V的平滑正弦波。

3 軟件系統設計

仿真軟件分別運行在仿真系統顯控計算機、目標模擬計算機、控制計算機、彈道顯示計算機上。軟件設計中采用了自頂向下、模塊化、結構化的設計方法[1],使程序結構清楚、可靠性好,便于編寫和調試。仿真軟件層次結構如下:

1)運行在顯控計算機上的軟件層次結構是:

第一層,初始化,建立顯控計算機和目標模擬計算機、控制仿真計算機、彈道顯示計算機之間的網絡連接,此時仿真系統各臺計算機上的應用軟件啟動,等待顯控計算機的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①仿真系統靜態調試控制模塊;

②仿真系統動態調試控制模塊;

③仿真系統自導控制聯合調試控制模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①仿真參數及狀態設定模塊;

②網絡數據發送模塊;

③網絡數據接收模塊;

④仿真狀態及參數顯示模塊;

⑤仿真結果數據存儲模塊;

⑥水下航行器和目標運動圖形顯示模塊;

⑦計時與時鐘顯示模塊。

2)運行在目標模擬計算機上的軟件層次結構是:

第一層,初始化,完成D/A轉換裝置的設備初始化和啟動,完成仿真計算基礎數據準備,建立和顯控計算機之間的網絡連接,等待顯控計算機的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①仿真狀態及參數讀取模塊;

②網絡數據發送模塊;

③網絡數據接收模塊;

④信號產生模塊;

⑤信號發送模塊;

⑥仿真狀態及參數實時顯示模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①水下航行器自噪聲信號仿真模塊;

②目標噪聲信號仿真模塊;

③混響信號仿真模塊;

④目標回波信號仿真模塊;

⑤干擾信號仿真模塊;

⑥多普勒速度計算模塊。

3)運行在控制仿真計算機上的軟件層次結構是:

第一層,初始化,啟動航行監測模塊,完成內測記錄初始化,建立和顯控計算機之間的網絡連接,等待顯控計算機的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①仿真狀態及參數讀取模塊;

②網絡數據發送模塊;

③網絡數據接收模塊;

④水下航行器流體力學模型仿真模塊;

⑤傳感器模型仿真模塊;

⑥舵機模型仿真模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①基元控制器計算模塊;

②舵令組合計算模塊;

③姿態解算計算模塊;

④目標參數估算和最優控制計算模塊;

⑤隨機數產生函數模塊;

⑥科學計算函數模塊。

4)運行在彈道顯示模擬計算機上的軟件層次結構是:

第一層,初始化,設置彈道圖形界面橫縱坐標,建立和顯控計算機之間的網絡連接,等待顯控計算機的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①水下航行器和目標運動參數讀取模塊;

②水下航行器和目標運動參數圖形顯示模塊;

③網絡數據接收模塊;

④仿真狀態及參數實時顯示模塊;

⑤水下航行器和目標運動軌跡存儲模塊;

⑥水下航行器和目標運動軌跡回放模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①圖形背景設置模塊;

②圖形坐標單位設置模塊;

③圖形坐標尺度設置模塊;

④圖形繪制模塊;

⑤圖形擦除模塊;

⑥圖形左移模塊;

⑦圖形右移模塊。

其中,顯控計算機、目標模擬計算機、控制仿真計算機、彈道顯示計算機使用Windows 2000操作系統,仿真軟件在Microsoft Visual Studio 2005集成環境下研制開發。自導和控制軟件使用VxWorks操作系統,上面運行的水下航行器軟件在 TORNADO集成環境下研制開發。

圖5顯示的是整個仿真系統數據流圖。

圖5 仿真系統數據流圖

4 系統特點

水下航行器半實物仿真系統是將水下航行器的工作環境、目標類型、海洋環境、人工干擾抽象成數學模型,并把水下航行器制導系統引入仿真回路中,采用適當的仿真算法,模擬航行器在水下尋的、跟蹤和攻擊目標的全過程,從而達到評價水下航行器制導系統的目的。本系統為水下航行器自導控制系統提供了調試和測試平臺。

1)該系統模擬水下航行器自噪聲、目標噪聲、體積混響、海面混響、海底混響、目標回波信號、干擾信號,軟件功能完善。

2)該系統模擬水下環境和目標特征,具備仿真多亮點目標的功能。

3)該系統綜合平衡仿真模型的精度要求和計算強度之間的矛盾,在滿足水下航行器仿真精度的前提下,實現了實時仿真。

4)該系統具有友好的圖形化用戶界面,輸入方便,輸出清晰,仿真結果可以根據用戶需要進行存儲和回放。

5)該系統結構緊湊,功能完備,使用方便。

6)該系統使用的對接陣裝置為自主研發,在聲學性能上具有工作頻帶寬、陣元耦合小、陣元之間相位和幅度一致性好的特點。

7)該系統的D/A轉換裝置能夠完成單通道每秒200kHz的數字-模擬信號轉換,多通道數據同步轉換,信號連續流暢,保證了聲基陣接收信號的品質。

5 結論

文中介紹的水下航行器制導半實物仿真系統已成功地運用于某型水下航行器的實驗室調試和湖海試驗。試驗證明該仿真系統總體方案設計合理先進,操作靈活方便,仿真精度高,系統工作穩定可靠,具有良好的經濟效益。

[1]康鳳舉.現代仿真技術與應用[M].北京:國防工業出版社,2003.

[2]王恒霖,曹建國.仿真系統的設計與應用[M].北京:科學出版社,2003.

[3]康鳳舉,何紅軍,李皓,等.水下航行器系統分布交互仿真技術研究[J].系統仿真學報,2001,13(2):150-152.