火箭橇遮光板法時空位置測試技術(shù)*

孫　浩,王艷艷,穆高超,朱軼龍

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院,陜西華陰　714200)

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火箭橇遮光板法時空位置測試技術(shù)*

孫浩,王艷艷,穆高超,朱軼龍

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院,陜西華陰714200)

摘要:為了解決火箭橇試驗橇體運行高精度的時空位置測試難題,提出了遮光板時空位置測試方法,主要圍繞該測試方法展開,提出了整體設(shè)計思路,并就光電組件設(shè)計、橇載數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計、遙測系統(tǒng)設(shè)計、遮光板設(shè)計及其布設(shè)方法、遮光板靶距測量方法、數(shù)據(jù)處理方法等方面進(jìn)行了論述。設(shè)計人員開發(fā)研制了相關(guān)產(chǎn)品,并通過多發(fā)試驗驗證,取得了良好的測試數(shù)據(jù)。該方法測試精度高,可以滿足慣性測量裝置功能和精度考核試驗,使用前景廣泛。

關(guān)鍵詞:光電組件;高精度計時;遮光板

0引言

在火箭橇試驗中,火箭橇高精度的全程時空位置測試不僅對于考核慣導(dǎo)器件的某些性能指標(biāo)、慣導(dǎo)方程誤差模型的建立、加速度計標(biāo)定等方面都具有重要的作用,而且是表征被測體運動特性的重要參數(shù)、衡量彈藥特性和彈道特性的重要指標(biāo),為更加深入的分析和研究橇體結(jié)構(gòu)提供了準(zhǔn)確的理論依據(jù)和大量的真實數(shù)據(jù)。因此,多家試驗單位均提出了對火箭橇運行過程中時空位置的測試要求。

目前,對火箭橇試驗時空位置測試,主要有雷達(dá)測試法、斷靶加時統(tǒng)測試法、光電經(jīng)緯儀測試法等,但都有一定的局限性,測試精度也無法滿足高精度時空位置測試的需求。

為了解決火箭橇全程時空位置測試的問題,提出了遮光板全程時空位置測試的設(shè)計思路。該測試系統(tǒng)可測試火箭橇試驗橇體全程的時空位置數(shù)據(jù)(s-t)、全程速度(v-t)、橇體運行加速度(a-t)等數(shù)據(jù),可應(yīng)用于慣性測量裝置火箭橇試驗、孔徑合成雷達(dá)地面成像等火箭橇試驗中,可為慣組等被試品誤差模型的建立、加速度傳感器的標(biāo)定、橇體結(jié)構(gòu)的分析、彈道的分析提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1測試原理

該系統(tǒng)測試原理是在火箭橇軌道上按照試驗彈道要求間隔一定距離安裝遮光板,并用測距儀測量出每個遮光板相對于橇體運動零點的距離,建立遮光板空間位置數(shù)據(jù)庫;在火箭橇橇體上安裝光電組件和主控部分,火箭橇運行時,過一個遮光板,光電組件產(chǎn)生一個脈沖信號。該脈沖信號可接入橇載數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時記錄存儲,也可接入遙測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時傳輸。

橇載記錄儀里面的計時器記錄下火箭橇運行過程中經(jīng)過各個遮光板的時刻,事后通過讀數(shù)得到火箭橇經(jīng)過各個遮光板的時刻,再和每個遮光板的距離對應(yīng),經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理,可得到火箭橇在全程運行過程中的時空位置關(guān)系。

整個遮光板高精度時空位置測試方法的研究,主要包括光電組件設(shè)計、遮光板設(shè)計及布設(shè)、遮光板靶距測量方法、橇載記錄儀設(shè)計、遙測系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理方法等。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2光電組件設(shè)計

目的是解決火箭橇試驗中橇體過每個遮光板的信號觸發(fā)問題,試驗時光電組件安裝在橇體一側(cè),其激光發(fā)射與接收通道要正對遮光板,當(dāng)光電組件隨著高速運行的火箭橇經(jīng)過安裝在火箭橇軌道旁邊的遮光板時,產(chǎn)生脈沖信號,該信號為橇載記錄儀在內(nèi)的其他設(shè)備提供觸發(fā)信號。該光電組件獲取和傳輸?shù)臅r間信號準(zhǔn)確、無誤、可靠、響應(yīng)快,隨火箭橇高速運行時能平穩(wěn)、順暢的通過所有的遮光板,不發(fā)生磕碰等現(xiàn)象。原理設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2　光電組件原理框圖

3存儲記錄儀設(shè)計

3.1原理簡介

該部分由高精度計時器、高精度時間基準(zhǔn)模塊、穩(wěn)壓模塊、讀數(shù)模塊、存儲模塊等組成[1],橇載記錄儀中高精度計時器模塊,其中的高精度計時器用CPLD來進(jìn)行控制,產(chǎn)生高精度的時間信息,輸出火箭橇經(jīng)過各個遮光板的時刻。從火箭橇啟動零點開始,CPLD內(nèi)部的計時器開始工作,當(dāng)計時芯片控制管腳接收到光電組件發(fā)來的脈沖信號后,高精度計時器模塊中的鎖存器鎖住此刻的時間,控制數(shù)據(jù)選擇器將鎖住的時間信息取走,傳給存儲器,記錄下脈沖來臨的每個時刻[2]。原理框圖如圖3所示。

圖3　記錄儀原理框圖

3.2高精度計時控制模塊

CPLD內(nèi)部邏輯圖如圖4所示。

圖4　CPLD內(nèi)部原理圖

本模塊是數(shù)據(jù)記錄儀電路設(shè)計的核心部分,利用CPLD芯片EPM7160實現(xiàn)高精度計時鎖存及采集存儲控制等功能。數(shù)據(jù)記錄儀分為讀、寫兩種狀態(tài)。當(dāng)處于寫狀態(tài)時,CPLD芯片在接收到觸發(fā)模塊的DB觸發(fā)信號或TTL觸發(fā)信號后其內(nèi)部的32位計數(shù)器開始計數(shù)[3],并將接收到高電平脈沖信號的到來時刻值鎖存,再利用內(nèi)部的存儲控制時序模塊,將鎖存的時刻值存儲到存儲模塊內(nèi)。依次循環(huán),可有效記錄多個時刻值,當(dāng)處于讀狀態(tài)時,CPLD芯片在接收到觸發(fā)模塊的觸發(fā)信號后,控制讀數(shù)芯片讀出存儲器的數(shù)據(jù)。

3.3高精度時間基準(zhǔn)模塊

高精度計時器模塊中包括一個高精度時間基準(zhǔn)模塊,產(chǎn)生高精度的時間信息,晶振頻率為10MHz,精度為1×10-6Hz[4]。高精度時間基準(zhǔn)模塊包括恒溫晶體振蕩器和調(diào)試電路。供電電壓5V,輸出方波。具有體積小、可靠性高、抗振能力強(qiáng)等特點。

3.4穩(wěn)壓模塊

光電組件和橇載記錄儀采用鋰電池直流供電,整體供電中設(shè)有穩(wěn)壓模塊,將鋰電直流7.4～8.4V轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的5V輸出,設(shè)計中采用LM1117等穩(wěn)壓模塊以及相關(guān)的濾波電路。LM1117穩(wěn)壓模塊輸入電壓6.5～12V,輸出4.85～5.15V,輸出電流0～800mA。

3.5存儲模塊設(shè)計

采用HK1255存儲器,存儲容量512K,該存儲器內(nèi)置鋰電池,在無外部供電情況下10a數(shù)據(jù)不會丟失,低功耗,抗振性能強(qiáng),可滿足9km試驗的測試需求,記錄時間約為429s。如果需要增加記錄時間,可選用同類型的更大存儲容量產(chǎn)品[5]。

4遙測傳輸方案設(shè)計

遮光板時空位置信息測試是通過遙測獲取火箭橇經(jīng)過在各個規(guī)定位置布設(shè)的遮光板時的遙測時間,將其與各位置的遮光板位置信息來一一對應(yīng)的方法實現(xiàn)的。具體實現(xiàn)方法是:一路斷靶啟動信號和一路遮光板脈沖信號同時接入遙測采集器。當(dāng)火箭橇開始運動的瞬間,斷靶啟動信號輸出高電平,遙測采編器在此時記錄下遙測采集器系統(tǒng)時鐘的時鐘計數(shù)值,并將其作為記錄時間的零點時刻值;當(dāng)橇體經(jīng)過一個又一個遮光板時,遮光板脈沖信號也相應(yīng)的輸出一個又一個高電平脈沖。遙測采編器每采集到一個脈沖信號都會讀取一次系統(tǒng)時鐘的計數(shù)值,并將其與之前的零時刻值一同編入遙測幀的某固定路,再傳輸至地面進(jìn)行遙測解碼和數(shù)據(jù)還原,最終換算成遙測時間序列。工作時序如圖5所示。

圖5　遙測系統(tǒng)遮光板時間信息測試時序圖

5遮光板設(shè)計及布設(shè)

5.1遮光板設(shè)計

遮光板的作用是遮擋激光束,使光電組件產(chǎn)生脈沖信號,并作為時空位置的地面標(biāo)記點,提供時空位置測試的地面位置信息。設(shè)計時必須考慮其寬度、高度、線性度、水平度、垂直度等因素的影響。

5.2遮光板布設(shè)

在火箭橇軌道上按照試驗彈道要求間隔一定距離安裝遮光板,用象限儀對遮光板進(jìn)行垂直度和水平度調(diào)整,并用測距儀測量出每個遮光板相對于橇體運動零點的距離,建立遮光板空間位置數(shù)據(jù)庫。遮光板距離根據(jù)試驗要求設(shè)置,安裝在軌道一側(cè)的軌道扣件螺桿上,為了防止混淆,每個遮光板都編有序號。

6遮光板靶距測量方法

用高精度的中長距電磁波測距儀器,如LEICATCA2003電子全站儀或其他高精度測距儀器對每個遮光板的距離進(jìn)行精確測量,儀器最高精度1mm,分辨率0.01mm,測量最大距離可達(dá)2.5km。精確測量各個遮光板之間的距離,使距離誤差控制在最小范圍之內(nèi),確保全程時空位置測試的測試精度。

7數(shù)據(jù)處理方法

7.1存儲測試數(shù)據(jù)處理方法

試驗結(jié)束后,從橇載記錄儀中讀取原始數(shù)據(jù),經(jīng)處理后得出火箭橇體經(jīng)過各個遮光板的時間數(shù)據(jù)。將時間數(shù)據(jù)與遮光板空間位置數(shù)據(jù)庫相對應(yīng),通過相鄰遮光板的距離ΔS及與其對應(yīng)的橇體運行時間ΔT,通過V=ΔS/ΔT,可以計算出橇體在這一區(qū)間的平均速度,并根據(jù)火箭橇體運行規(guī)律找出異常速度數(shù)據(jù)所對應(yīng)的時間數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù),將不符合規(guī)律的時間數(shù)據(jù)或空間數(shù)據(jù)剔除,得出最終的火箭橇?xí)r空位置測試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中應(yīng)包含空間位置數(shù)據(jù)、靶距數(shù)據(jù)、火箭橇體運行速度等信息。

7.2遙測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)處理方法

在軟件中加入異常數(shù)據(jù)判讀剔除程序,當(dāng)在數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)倪^程中有異常數(shù)據(jù)時,可直接剔除,地面終端不僅可將時空位置數(shù)據(jù)實時存儲,而且可在顯示屏幕上實時顯示,畫出時空位置運行曲線圖,實時顯示橇體運行的情況,并可快速處理試驗數(shù)據(jù),方便快捷。

8結(jié)束語

經(jīng)過設(shè)計研究,該測試方法測試精度高,可以滿足慣導(dǎo)等高精度時空位置測試的試驗,開發(fā)研制了相關(guān)測試設(shè)備,并成功應(yīng)用于多項火箭橇試驗中,取得了良好的測試效果。采用橇體數(shù)據(jù)存儲和遙測傳輸?shù)姆绞?測試可靠性高。

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*收稿日期:2014-12-19

作者簡介:孫浩(1983-),男,陜西富平人,高級工程師,研究方向:靶場火箭橇試驗與動態(tài)測試。

中圖分類號:TJ768.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

ResearchonPositionandTimeTestingTechnologyforRocketSledShadingPlateMethod

SUNHao,WANGYanyan,MUGaochao,ZHUYilong

(TestandMeasuringAcademyofChinaOrdnanceIndusties,ShaanxiHuayin714200,China)

Abstract:In view of difficulty in high-precision test of time and position in rocket sled test, shading plate position and time testing method was presented. Based on the method, overall design idea, photoelectric component design, sled borne data recorder design, telemetric system design, shading plate design and layout method, measurement methods from the shading plate, target data processing method and other aspects were discussed in this paper. Designers developed related products, tests prove that the test data obtained is good. The method can achieve high testing precision, and can meet inertial measurement unit function and accuracy test, it is prospective.

Keywords:optoelectronic components; high-precision timing; shading plate