導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

程明陽

(凱邁測控有限公司,河南 洛陽 471009)

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導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

程明陽

(凱邁測控有限公司,河南 洛陽 471009)

首先簡單介紹了導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)的主要系統(tǒng)組成與閉環(huán)仿真測試原理。從實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)架構(gòu)的搭建、時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)各控制節(jié)點(diǎn)信息的有效傳遞方式三個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)仿真的實(shí)時(shí)性進(jìn)行設(shè)計(jì)。提出了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)模擬器模擬俯仰和偏航兩個(gè)方向的彈目視線高速角運(yùn)動(dòng)的解決措施,給出復(fù)合光路的數(shù)學(xué)模型,并通過試驗(yàn)分析確認(rèn)復(fù)合光路的角度達(dá)位精度可滿足仿真測試要求。最后通過與同條件下空中靶試試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)的測試結(jié)果的可信度和測試方法的有效性。

導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)抗干擾測試; 半實(shí)物仿真; 實(shí)時(shí)性; 高速視線運(yùn)動(dòng)模擬

1 引 言

隨著導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)越來越先進(jìn),作戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜,已很難獲得一種能有效地詳細(xì)描述制導(dǎo)系統(tǒng)性能的數(shù)學(xué)模型用于數(shù)字仿真和動(dòng)態(tài)測試。若其動(dòng)態(tài)性能的衡量完全通過外場飛行試驗(yàn)來評(píng)定的話,幾乎不可能實(shí)現(xiàn),而且某些邊界條件下的測試也不能通過外場試驗(yàn)來考核。

基于半實(shí)物仿真的導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)方便的對(duì)某型紅外制導(dǎo)空空導(dǎo)彈在各種典型彈道下的動(dòng)態(tài)制導(dǎo)性能進(jìn)行定量測試、動(dòng)態(tài)抗干擾性能進(jìn)行測試和制導(dǎo)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測試。

2 系統(tǒng)組成

導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)主要由目標(biāo)模擬器、橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)、慣測模擬器、仿真總控臺(tái)、舵機(jī)加載臺(tái)和仿真計(jì)算機(jī)及仿真模型組成。測試系統(tǒng)以多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成分布式控制節(jié)點(diǎn),通過基于VMIC5565光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各控制節(jié)點(diǎn)的連結(jié),實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)指令交互,在軟件系統(tǒng)的控制下完成對(duì)導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)抗干擾性能的測試[1]。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

仿真總控臺(tái)主要負(fù)責(zé)整個(gè)測試系統(tǒng)的自動(dòng)化管理、仿真測試實(shí)時(shí)運(yùn)行控制、測試信息的實(shí)時(shí)顯示等。它可以實(shí)現(xiàn)測試過程中被測產(chǎn)品(制導(dǎo)控制艙、舵機(jī))供電供氣控制,導(dǎo)彈工作所需的飛行任務(wù)下發(fā),與產(chǎn)品進(jìn)行信息交換,仿真運(yùn)行控制以及導(dǎo)彈輸出的各種模擬量和數(shù)字量信息進(jìn)行采集存儲(chǔ)處理后以用于對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)性能的分析等功能。

目標(biāo)模擬器可為測試系統(tǒng)提供一個(gè)滿足測試要求的紅外模擬目標(biāo)源以及二個(gè)干擾源。仿真測試時(shí)可模擬彈目視線角的變化及干擾一誘餌從中心沿偏航方向分離、干擾二誘餌從中心沿俯仰方向分離的投放。

圖1 系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Function block diagram of system

為了解決各種半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的位置轉(zhuǎn)臺(tái)只能模擬導(dǎo)彈繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng),而無法模擬慣測裝置中加速度計(jì)探測到的導(dǎo)彈線加速度信息的難題。系統(tǒng)研制了專用的慣測模擬器來實(shí)時(shí)模擬產(chǎn)生彈體的線加速度等信息。仿真測試時(shí)由仿真計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)解算出的導(dǎo)彈線加速度信息傳遞給慣測模擬器,由慣測模擬器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),注入導(dǎo)彈慣測接口,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉合[2]。

舵機(jī)加載臺(tái)用來模擬導(dǎo)彈飛行過程中作用在舵面上的氣動(dòng)鉸鏈力矩和推力矢量力矩。測試時(shí)舵機(jī)舵軸的偏轉(zhuǎn)使加載臺(tái)的扭簧桿產(chǎn)生抵抗扭矩,從而實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的被動(dòng)加載。同時(shí),加載臺(tái)上的角度傳感器和扭矩傳感器將相應(yīng)的角度和力矩信號(hào)通過AD卡和脈沖計(jì)數(shù)卡采集到計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)完成信息的處理和存儲(chǔ)[3]。

橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)主要功能是接受仿真計(jì)算機(jī)發(fā)送的橫滾通道的控制信息,復(fù)現(xiàn)導(dǎo)彈的空間橫滾姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。

仿真計(jì)算機(jī)及仿真模型作為半實(shí)物仿真系統(tǒng)的核心,主要承擔(dān)導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程及彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的實(shí)時(shí)解算、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能。

3 閉環(huán)仿真測試原理

仿真測試開始前先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作,然后啟動(dòng)各仿真設(shè)備,將目標(biāo)模擬器、橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)置于仿真初始條件要求的位置,并將仿真初始參數(shù)傳遞給仿真計(jì)算機(jī)中模型解算程序;仿真總控臺(tái)完成導(dǎo)彈安全檢查、供電、供氣,確認(rèn)測試系統(tǒng)和導(dǎo)彈狀態(tài)正常后,發(fā)送初始飛行指令,控制電氣分離,發(fā)射導(dǎo)彈,同時(shí)發(fā)出仿真開始指令。

舵機(jī)加載臺(tái)實(shí)時(shí)采集導(dǎo)彈輸出的舵偏角信號(hào),經(jīng)仿真計(jì)算機(jī)中導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型解算后,反算出導(dǎo)彈的各狀態(tài)參數(shù)。將實(shí)時(shí)解算出的法向加速度和側(cè)向加速度數(shù)據(jù)通過慣測模擬器注入給相應(yīng)的法向加速度計(jì)和側(cè)向加速度計(jì)測量電路,控制橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)以模擬導(dǎo)彈在空中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。同時(shí)解算出目標(biāo)的當(dāng)前位置,控制目標(biāo)/干擾模擬器完成導(dǎo)彈-目標(biāo)相對(duì)視線運(yùn)動(dòng)的模擬。仿真總控臺(tái)在適當(dāng)時(shí)刻下達(dá)投放干擾指令,控制目標(biāo)模擬器實(shí)現(xiàn)干擾的正確投放。導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)視線偏角,依據(jù)相應(yīng)導(dǎo)引規(guī)律生成控制信號(hào),輸出給導(dǎo)彈姿態(tài)控制系統(tǒng),由彈上計(jì)算機(jī)根據(jù)各傳感器的信號(hào)計(jì)算出控制信號(hào),控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定和跟蹤目標(biāo),從而形成閉環(huán)仿真回路[4]。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析及解決措施

4.1 仿真實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)是將被測產(chǎn)品接入實(shí)時(shí)仿真回路構(gòu)成的半實(shí)物仿真系統(tǒng),時(shí)間約束強(qiáng),是高精度的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng),因此對(duì)仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)[5]。

4.1.1 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)架構(gòu)

仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三部分。其中第一部分是仿真建模集成環(huán)境;第二部分是Windows進(jìn)程;第三部分是Windwos平臺(tái)上的實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)RTX[6]。仿真建模集成環(huán)境已集成仿真模型解算涉及到的一些線性計(jì)算、積分算法、快速函數(shù)插值等算法,可很好的解決算法優(yōu)化和準(zhǔn)確性問題,使得計(jì)算機(jī)解算和算法可滿足實(shí)時(shí)性要求;Windows進(jìn)程處理非實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù),如:人機(jī)交互環(huán)境、曲線顯示與分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等;實(shí)時(shí)進(jìn)程處理實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù),如模型計(jì)算和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信等。RTX與Windows共存于一臺(tái)機(jī)器中,而不需要傳統(tǒng)的上下位機(jī)的方式。RTX運(yùn)行于系統(tǒng)內(nèi)核層,實(shí)時(shí)子系統(tǒng)RTSS的線程優(yōu)先于所有Windows線程,提供了對(duì)IRQ、I/O、內(nèi)存的精確直接控制,以確保實(shí)時(shí)任務(wù)的100%可靠性[5]。通過高速的IPC通訊和同步機(jī)制,RTX方便地實(shí)現(xiàn)與Windows之間的進(jìn)行高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示[5]。

圖2 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)架構(gòu)Fig.2 Real time simulation platform architecture

4.1.2 時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于仿真測試系統(tǒng)中多個(gè)處理機(jī)上進(jìn)行并行仿真計(jì)算,為了保證整個(gè)系統(tǒng)的同步,必須設(shè)定以某臺(tái)設(shè)備的時(shí)鐘為基準(zhǔn),采取措施使系統(tǒng)所有其他計(jì)算機(jī)時(shí)鐘與它保持一致。本測試系統(tǒng)利用研華公司生產(chǎn)的PCI-1780U定時(shí)/計(jì)數(shù)器卡搭建了一套時(shí)鐘同步系統(tǒng)。

在仿真測試開始時(shí),仿真總控臺(tái)啟動(dòng)時(shí)鐘脈沖輸出,以此作為零時(shí)刻,各個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)內(nèi)也安裝同樣的PCI-1780U計(jì)數(shù)卡接收時(shí)鐘脈沖,在任意時(shí)刻均可通過讀取通道計(jì)數(shù)信息,獲取相對(duì)與零時(shí)刻的毫秒時(shí)刻及微秒時(shí)刻,每個(gè)節(jié)點(diǎn)寫入反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),均按從定時(shí)計(jì)數(shù)器卡讀取的時(shí)統(tǒng)信息打上時(shí)標(biāo),時(shí)標(biāo)采用相對(duì)時(shí)標(biāo)。

4.1.3 仿真實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)

基于RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)擴(kuò)展和高精度定時(shí)時(shí)鐘使仿真計(jì)算機(jī)完全能夠?qū)崿F(xiàn)精確定時(shí)和仿真計(jì)算周期迭代,除此之外,仿真計(jì)算機(jī)還需要通過反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)將定時(shí)周期信息傳遞給測試系統(tǒng)中的其它控制節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)方式是通過反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)提供的中斷消息實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的周期定時(shí)和同步。

VMIC5565反射網(wǎng)提供了四個(gè)中斷通知消息,源節(jié)點(diǎn)可通過發(fā)送這些消息觸發(fā)其它節(jié)點(diǎn)的中斷,每個(gè)中斷通知消息還可以附帶一個(gè)32位的參數(shù),通過消息號(hào)和參數(shù)的組合,可以構(gòu)建種類豐富的實(shí)時(shí)應(yīng)用。設(shè)計(jì)中仿真計(jì)算機(jī)利用其中RFM2GEVENT_INTR2通知消息向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送定時(shí)通知(RFM2GEVENT_INTR1通知消息用于主控計(jì)算機(jī)發(fā)送測試動(dòng)作通告)。接收節(jié)點(diǎn)在Windows系統(tǒng)下響應(yīng)該通知會(huì)有一定延遲,為掌握該延遲數(shù)值,在兩臺(tái)配置Core2Duo 2.66GHz CPU的工控機(jī)上采用反射內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行了實(shí)際測試,測試原理如圖3所示[7]。

圖3 RTX在多處理器上的運(yùn)行方式Fig.3 Operation mode of RTX on multi processor

工控機(jī)對(duì)起始時(shí)刻和終止時(shí)刻的查詢采用多媒體定時(shí)器的性能計(jì)數(shù)器,可以獲得微秒級(jí)的計(jì)算精度,測試的結(jié)果表明時(shí)間差在120μs左右波動(dòng),最大不超過150μs,這一結(jié)果也證明了Windows不是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng),但總體速度并不慢。終止時(shí)刻與起始時(shí)刻的差值包括了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)反射內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)的訪問時(shí)間,反射內(nèi)存網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和計(jì)算機(jī)響應(yīng)通知消息的延遲時(shí)間,因此單次通知消息的響應(yīng)時(shí)間小于測試值的一半。本系統(tǒng)所選用的計(jì)算機(jī)CPU配置比測試用計(jì)算機(jī)更加強(qiáng)大,可以保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的定時(shí)消息響應(yīng)延遲不大于75μs。

對(duì)于控制延遲時(shí)間,首先系統(tǒng)所選反射內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的硬件性能可以保證極短的傳輸延遲[5],關(guān)鍵在于縮短Windows操作系統(tǒng)下對(duì)反射網(wǎng)卡的訪問時(shí)間,本設(shè)計(jì)采取以下措施:

(1) 采用高性能工控機(jī)平臺(tái),為系統(tǒng)搭建高速處理平臺(tái);

(2) 反射內(nèi)存網(wǎng)卡采用PCIe總線,避免PCI總線訪問可能出現(xiàn)的訪問沖突;

(3) 合理安排各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān),避免計(jì)算機(jī)因?yàn)樨?fù)載過重導(dǎo)致響應(yīng)速度減緩;

(4) 軟件開發(fā)中采用多線程開發(fā)技術(shù),充分發(fā)揮多核CPU的強(qiáng)大處理能力,合理調(diào)度進(jìn)程和線程優(yōu)先級(jí),確保實(shí)時(shí)要求高的任務(wù)獲得充分CPU資源[8];

(5) 內(nèi)存管理中,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存頁面鎖定功能,可將仿真處理所需的數(shù)據(jù)頁面鎖定在物理內(nèi)存中,避免頁面交換造成的延遲[6]。

4.2 彈目高速視線運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)現(xiàn)

仿真測試時(shí)目標(biāo)模擬器需模擬俯仰和偏航兩個(gè)方向的彈目視線高速角運(yùn)動(dòng)。若采取傳統(tǒng)的目標(biāo)模擬器整體轉(zhuǎn)動(dòng),則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大,轉(zhuǎn)臺(tái)的功率、尺寸、價(jià)格和研制風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增大很多。為降低目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)的研制風(fēng)險(xiǎn),系統(tǒng)采用了使目標(biāo)模擬器固定不動(dòng),采用旋轉(zhuǎn)擺鏡實(shí)現(xiàn)俯仰方向的高速運(yùn)動(dòng)要求,通過控制上擺鏡轉(zhuǎn)臺(tái)和下擺鏡三軸復(fù)合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)偏航方向高速運(yùn)動(dòng)要求。俯仰方向的視線運(yùn)動(dòng)只需保證上下擺鏡的同步控制即可,本文重點(diǎn)闡述偏航方向的高速視線運(yùn)動(dòng)解決方案。

4.2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。其中上擺鏡是反射鏡,以模擬器為基準(zhǔn),安裝在二維伺服運(yùn)動(dòng)框架上,其回轉(zhuǎn)中心和目標(biāo)方位轉(zhuǎn)臺(tái)、導(dǎo)彈位標(biāo)器旋轉(zhuǎn)中心處于同一旋轉(zhuǎn)軸上,且垂直于導(dǎo)彈軸線,具有二維擺動(dòng)功能。下擺鏡是反射鏡,安裝在俯仰伺服運(yùn)動(dòng)框架上,隨其一同安裝在方位轉(zhuǎn)臺(tái)上。

在模擬偏航運(yùn)動(dòng)過程中,通過上下擺鏡的三軸復(fù)合運(yùn)動(dòng)(上擺鏡回轉(zhuǎn)、俯仰,下擺鏡回轉(zhuǎn)),使光路在上擺鏡出射以后始終入射到下擺鏡的俯仰軸上面,即出射光始終是以下擺鏡的俯仰軸為中心,然后控制下擺鏡轉(zhuǎn)臺(tái)做偏航運(yùn)動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)光路的偏航姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。其三軸復(fù)合運(yùn)動(dòng)是以下擺鏡轉(zhuǎn)臺(tái)偏航角度為驅(qū)動(dòng)定值x,通過光路合成,建立上擺鏡的俯仰函數(shù)f(x)和回轉(zhuǎn)函數(shù)y(x),通過輸入偏航角度x,即可驅(qū)動(dòng)上擺鏡的姿態(tài)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而使偏航光路得以實(shí)現(xiàn)。其數(shù)學(xué)模型為

圖4 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of optical system structure

(1)

(2)

4.2.2 精度測試

復(fù)合光路的角度達(dá)位精度對(duì)整個(gè)仿真試驗(yàn)方案擬訂和結(jié)果評(píng)估都是關(guān)鍵因素。項(xiàng)目組利用可見光和自準(zhǔn)直儀對(duì)偏航復(fù)合光路的角度在任意0°到100°范圍內(nèi)的達(dá)位精度進(jìn)行了測試,最終誤差目標(biāo)光路與理論光路夾角誤差曲線如圖5所示[9]。

由圖5得,誤差最大角為0.914′(即:0.0152°),可滿足仿真測試要求±1′角度達(dá)位精度的要求。

5 結(jié) 論

導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)已經(jīng)在某型紅外

圖5 誤差仿真分析圖Fig.5 Error simulation analysis diagram

制導(dǎo)空空導(dǎo)彈研制中得到應(yīng)用。該測試系統(tǒng)為紅外成像制導(dǎo)空空導(dǎo)彈提供了一個(gè)比較真實(shí)的仿真環(huán)境。通過與同條件下空中靶試試驗(yàn)的靶試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見圖6。結(jié)果可見,空中靶試試驗(yàn)與半實(shí)物仿真測試結(jié)果差別不大,驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)的可信度和仿真方法的有效性。

圖6 驗(yàn)對(duì)比結(jié)果Fig.6 Error simulation analysis diagram

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程明陽 (1978-) 男,河南南陽人,高工,主要從事空空導(dǎo)彈自動(dòng)化測試方向的研究。

Research on the Key Technology of Missile Dynamic anti Jamming Test System

CHENG Mingyang

(Kaimai Control Co Ltd,Luoyang 471000,China)

First of all,the main system components and the closed-loop simulation test principle of the missile dynamic anti jamming test system are introduced briefly.The real-time simulation system is designed from three aspects:the architecture of the real-time simulation platform building,the design of clock synchronization system and the effective transmission of the information of each control node.The solutions about how to solve the high speed line of sight motion of target simulator with the pitch and yaw direction is proposed.The mathematical model of composite optical path is given,and the position of compound light path angle accuracy is confimed by test-analysis and can satisfy the requirements of simulation and test.Finally,the reliability and validity of the test results of the dynamic test system of the missile are verified by comparing with the test results of the air target test under the same conditions.

missile dynamic anti-jamming test; hardware-in-loop simulation; real time; high speed line of sight motion simulation

V 24

A