飛行模擬技術在紅外/微波復合導引頭測試中的研究與應用*

姚 勤，劉 雪，李士剛

(1.駐上海地區航天系統軍事代表室·上海·201109;2.上海新躍聯匯電子科技有限公司·上海·200233)

0 引 言

隨著科技水平的發展，導引頭研究也進入了一個新的發展階段，飛行模擬系統作為導引頭技術發展的產物，在導引頭研制的各個階段都發揮著重要的作用。采用飛行模擬技術，在系統設計階段可以更準確地評估導引頭的設計性能;在研制階段可以輔助調試部件及系統，大大縮短系統的研制時間;在交付使用階段不僅可以作為導引頭檢測評估的手段，同時還為應用方熟悉導引頭的使用方法提供了環境[1]。

本文闡述了一種導引頭飛行模擬測試系統的研究與應用，測試系統采用三軸轉臺+二維目標的方式，形成新的五軸系統。三軸轉臺是導引頭進行飛行仿真的重要平臺，包含有3個旋轉軸，可以通過旋轉達到互相正交的狀態，構成一個空間正交的三維坐標系，用來模擬導彈的飛行空間。3個旋轉軸連帶著3個旋轉框架，將導引頭安裝在轉臺內框架上，就構成了一個三維導彈仿真平臺，可以對導彈的空氣動力特性、姿態運動以及跟蹤特性等進行實時仿真與測試。經過通信線路將獲取的數據傳送到計算機進行數據處理，即可獲得所需的性能參數，從而為導彈的研發工作提供支持。紅外/微波復合目標源產生導引頭在測試和試驗過程中所需的紅外/微波目標，由二軸目標運動模擬裝置帶動目標源，形成滿足導引頭測試要求的目標視場及目標運動特性，模擬空間目標的位置、角速度等信息。

1 測試系統總體設計

1.1 飛行模擬技術和硬件設計的融合

主控系統主要由總控計算機及接口設備組成[2]。總控計算機是主要的人機交互界面，實驗人員在此設備上對整個系統進行操作，主要完成仿真試驗參數設置、彈道參數裝訂、試驗進程控制等功能。

彈體姿態模擬系統由三軸轉臺、控制柜及接口設備等組成。控制柜主要負責接收主控系統指令，生成驅動指令，驅動三軸轉臺按照指令進行轉臺動作，完成導引頭的姿態模擬。

目標模擬系統由運動模擬裝置、微波發生器、喇叭天線、紅外目標源組成，可以模擬導引頭目標的視線角速度，微波發生器和喇叭天線按指令生成不同特性的微波目標;紅外目標源生成指定特性的紅外目標。圖1所示為測試系統組成框圖。1.1.1 創新型的五軸系統設計

圖1 測試系統組成圖Fig.1 Test system composition diagram

以往的五軸測試系統均采用五軸轉臺模式，即將二維目標系統作為三軸轉臺的一部分，共同實現五軸運動。這樣做的缺點在于頻繁的五軸聯動對轉臺框架要求較高，同時暗室環境空間較小，目標源與被測導引頭距離較近，對點目標源的安裝精度和能量精度有極高的要求;很多采用五軸轉臺方式的測試系統，因點光源無法達到指標要求而導致測試效果不佳。本系統創新性地采用三軸轉臺+二維目標的方式，形成新的五軸測試系統，不僅對點光源的安裝精度及能量要求有所降低，工程上更易實現，且該系統的微波暗室空間達到25m×10m×10m，實現了目標平面任意軌跡精準平穩模擬、旋轉彈體導彈飛行姿態同步模擬。通過表1可知，整個系統最終運動姿態共包含7個要素。在導引頭測試過程中，操作人員輸入動作參數，7個運動姿態按照解算指令進行動作。根據位置關系定義轉臺中心距目標運動平面的垂直距離。已知量:

表1 系統運動及符號定義Tab.1 System movement and symbol definition

計算量:

以轉臺方位、俯仰為參考進行解算，已知量:

計算量:

圓周運動結算方程，已知轉臺的運動速度指令如下:

則按照轉臺處于零點，可求得:

最終求得目標水平和直線運動位移和速度方程如下:

目標水平速度:

目標垂直速度:

按照一個完成周期，即T=10s，上述方程曲線繪制如圖2所示。

圖2 一個周期復合運動轉臺與目標的軌跡曲線Fig.2 Track curve of a periodic composite motion turntable and target

1.1.2 轉臺與目標的分體式同步聯動設計

基于新的五軸系統，三軸轉臺和二維目標運動模擬裝置為同源控制，對系統提出了如下的同步聯動精度要求:

1)聯動實現水平和垂直方向0.1(°)/s～5(°)/s的跟蹤角速度，跟蹤角速度誤差小于1%;

2)聯動實現被測產品隨目標按預定軌跡、預定速度進行運動。

同步及聯動性的精度主要由以下幾方面保證:

1)實時的傳輸網絡

轉臺和目標系統之間采用實時通信接口，應用VMIC光纖通信反射內存板。VMIC反射內存是基于環狀/星狀的高速復制的共享內存網絡。它實際上是作為雙端內存來工作的。本地主機對它的反射內存地址空間進行寫操作，該地址空間是本地內存的一個端口。VMIC 5565反射內存板自動地將這個新的數據從它的另一個端口傳出去，這個端口是連接在環狀體系結構的網絡上的光纖，工作速率為2.1G波特率。網絡中的下一個VMIC 5565反射內存板接收到這個新的數據，其本地內存將在400ns之內被更新。采用網絡實時的控制方式，主控計算機起數據中轉的作用，根據約定好的通信協議，將控制參數發送到彈體姿態控制計算機和目標控制計算機上，并將下位機上傳的實時數據傳給主控計算機。

2)控制系統設計

本系統提出了三軸轉臺+二維目標的五軸系統架構、加速-勻速-減速分區段自適應驅動算法，解決了轉臺與目標分體式同步聯動的難題，實現了目標平面內任意軌跡精準平穩模擬、旋轉彈體導彈飛行姿態同步模擬。

轉臺控制系統設計包括速度環和位置環的雙環控制結構設計。首先，在對系統性能指標進行分析時，根據系統的性能指標和外環對內環的設計要求，從外環到內環逐步確定各環的性能指標要求;然后，在設計系統各環控制器時，從內環開始，根據系統對每一環的性能要求和環路固有特性，設計各個環路的控制器。首先設計速度環，然后設計位置環。為了簡化位置環的設計，在設計位置環時，將速度環閉環傳遞函數簡化為慣性環節;最后根據位置反饋設計結果設計位置環控制器。

目標運動模擬裝置控制系統主要是交流伺服控制系統，是一種利用人工智能、控制工程、結構學等領域的理論成果，有效模擬目標實時運動功能的機電裝置，它是目標模擬裝置的大腦，從根本上決定了整個系統性能的好壞。其運動方程包括快速定位、線性插補和圓弧插補三大部分。快速定位是指運動機構快速地定位到某一位置，需要設置X軸或Y軸目標運行的終點位置和運行速度2個參數。線性插補是使X、Y軸同時以某一個速度向直角坐標系中設定的點運行，這時需要設置X、Y軸運行的終點坐標和運行的速度。圓弧插補可以使X、Y軸繞著標淮圓周做勻速圓周運動，程序中需要設置圓周運動的線速度、圓弧中心和圓弧半徑，只要任何一個設置不滿足圓周運動條件，系統將不會運行回初始狀態。

1.1.3 二維目標模擬裝置的精準平穩傳動設計

二維復合目標運動模擬裝置的設計難點在于安裝空間為8.3m×8.3m，運動范圍為5m×5m，在5m×5m的運動范圍內需實現平面直線運動、空間圓周運動，運動模式包含加速運動、勻速運動和減速運動，速度最高可達1.5m/s，加速度最高可達3m/s2，定位精度需滿足±5mm的要求，對二維目標的定位精度、穩定度、平穩度、安裝搬運裝配都有極高的要求。傳統的傳動方案一般采用滾珠絲杠、普通的皮帶傳動，均無法達到該要求。經過多方論證，采用進口直線模組，同時通過PLC數字化控制算法，實現了復合目標最大行程8m、定位精度在±0.1mm之內的多種模式的平穩運動。試驗結果表明，采用該傳動系統，經過高負荷長時間的運行考驗，二維復合目標運動模擬裝置工作穩定，定位精度高，運動平穩。

1.1.4 陀螺指向測試的轉臺偏角修正算法

被測導引頭屬于同軸安裝式導引頭，即將紅外光學接收器作為陀螺轉子的一部分直接固定在陀螺轉子上，利用陀螺的定軸性實現導引頭的框架穩定，利用其進動性實現對目標的跟蹤[5]。在進行陀螺指向測試時，將導引頭安裝在轉臺上，給轉臺設置水平偏角，給導引頭產品裝定高低角指令。若陀螺中心與轉臺回轉中心重合，則導引頭內陀螺伺服系統能夠帶動光學元件精確對準目標。測試系統在測試導引頭過程中，當導引頭的陀螺中心與轉臺回轉中心不重合時，基于導引頭陀螺指向測試的轉臺偏角修正算法，推導得出轉臺偏角、二維復合目標垂直偏角、測試暗室空間長度、導引頭回轉中心偏離距離以及偏轉角度之間的空間對應關系，實時解算出轉臺需設置的偏轉角度，準確控制陀螺伺服系統帶動光學系統精確指向目標，確保了導引頭對目標角位置信息的測試精度，提高了導引頭的調試測試效率。

在進行陀螺指向測試時，首先將轉臺水平偏角設置為-α°，給導引頭產品發送高低角-α°指令，此時導引頭內位標器陀螺繞其中心點偏轉-α°，若陀螺中心與轉臺回轉中心同在O點，則導引頭內陀螺系統理論上能夠帶動光學元件精確對準目標。當陀螺中心與O點不重合，延長至D點時 (如圖3左圖所示)，如何設置轉臺角度，使得陀螺中心能以-α°的角度精確指向目標 (如圖3右圖所示)，即圖中Φ角為所求。

圖3 陀螺指向測試原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of gyro pointing test principle

導引頭內位標器陀螺中心、目標源和轉臺回轉中心之間的空間對應關系如圖4所示。

1)O為轉臺回轉中心，D為導引頭陀螺中心點，2個中心點不重合，其距離長為r;

2)因導引頭在轉臺上存在安裝誤差，初始對光時目標源的位置由g點移動到g'點;

3)OS為轉臺初始位置，其延長線為目標源中心點g，轉臺旋轉角度c后其位置為OS'，OSg S'在同一個平面內;

4)OD為導引頭彈軸初始位置，其延長線為對光后目標源位置g'，導引頭隨轉臺旋轉后其位置為OD'，∠DOD'定義為a，ODg D'在同一個平面內;

5)轉臺旋轉后，導引頭彈軸與目標源g'之間的夾角為Φ，此角度為導引頭的方位角度;

6)導引頭彈軸OD與轉臺平面OSgS'的水平夾角為h，垂直夾角為v，OD在轉臺平面的投影為OC，∠COC'為b，轉臺旋轉角度c=b，c是要求出的轉臺偏轉角度。

圖4 陀螺指向測試位置關系圖Fig.4 Position diagram of gyro pointing to test

將本測試系統應用于微波暗室內，Og'長為L，其長度S通過激光測距即可獲得。OD=OD'，長為r，即導引頭陀螺中心偏離轉臺回轉中心的距離。將△DOD'在轉臺平面內做投影得到△COC'，在△DOD'中，從O點做DD'邊的垂線OE，因△DOD'為等腰三角形，得出DE=ED'，延E點做CC'邊的垂線EF，可以證明CF=FC'。

在△Og'D'中，根據正弦定理得出:

因△OCC'是△ODD'的投影，所以L1與L2相等:

得出轉臺偏角b與導引頭彈軸偏角a、導引頭光軸垂直角v之間的關系:

將式 (1)代入式 (4)中可得式 (5)

利用該算法將修正角度寫入轉臺偏角程序中，實時解算出轉臺需設置的偏轉角度，準確控制陀螺伺服系統帶動光學系統精確指向目標。

1.1.5 小 結

通過以上幾種技術的應用，成功地將飛行模擬技術融合在硬件設計中，使系統能夠模擬彈體姿態平面和圓周的精準平穩運動，真實模擬了紅外和微波復合目標的運動軌跡以及導彈與目標的真實態勢，實現了導引頭動態條件下的性能測試。

1.2 軟件設計

1.2.1 數據信號采集程序

在導引頭性能測試及調試中，需要對導引頭輸出信號進行采集，因此數據采集是測試軟件編程的重要部分。本系統主要是對模擬信號進行采集，在程序前面板點擊數據采集按鈕，此時事件程序中隊列被壓入Cont AI信息后進入數據采集子程序，將采集的原始信號值與標定參數做處理，即可顯示信號值。

1.2.2 空間/水平對稱性測試程序

空間/水平對稱性測試是導引頭復合性能測試中的一個關鍵的測試項目，主要考核導引頭輸出信號的空間及水平的對稱特性，是極為重要的考核指標。測試項目分為水平對稱性測試和空間對稱性測試。KK大小和KK相位的計算方式為:首先定義導引頭輸出Udy=Asin(ωt+B)，其中，A為要求的KK大小，B為要求的KK相位，ω為彈旋頻率。軟件同時采集導引頭輸出的Udy信號以及轉臺基準信號Uz， 以轉臺基準信號Uz為周期，首先定義4個物理量，分別為Kk_x和Kk_y，KK[i]大小和KK[i]相位。其在一個周期內的計算公式如下:

通過Kk_x和Kk_y可以計算出一個周期內的K K[i]大小和K K[i]相位。

采集22s的數據，截取前半段和后半段各6s的數據，求取其平均值后得到KK大小和KK相位。

1.2.3 FFT計算程序

傅立葉變換方法作為經典的信號分析方法，在數字信號處理領域得到了廣泛的應用。在信號處理過程中，頻域分析往往比時域分析方便和高效[6]。在對導引頭進行大小相位調試時，需要同時觀測導引頭信號在110 Hz和118Hz這2個頻率上的幅值信息，通過調節導引頭參數將這2個頻率分量調到最小。程序首先將信號進行拼接處理，當采集信號時間小于設定時長時，即將幾次采集數據拼接在一起進行數據處理，在程序前面板可以設定一次FFT時長，然后利用Lab VIEW的FFT子程序即可對信號進行頻域分析。其程序實現如圖5所示。

圖5 FFT計算程序Fig.5 FFT calculator

2 測試結果分析

2.1 三軸轉臺測試結果

轉臺系統主要技術指標完成情況如表2所示。

表2 轉臺系統主要技術指標完成情況Tab.2 Completion of key technical indicators of the turntable system

2.2 二維目標測試結果

二維目標系統主要技術指標完成情況如表3所示。

3 結 論

本文研究了微波暗室環境下的導引頭飛行模擬測試技術，構建了導引頭全自動化測試系統，通過主控系統、轉臺系統和二維目標模擬系統三大分系統的聯合應用，實現了目標平面內任意軌跡精準平穩模擬、旋轉彈體導彈飛行姿態同步模擬，保證了導引頭在動態條件下的測試性能，且測試精準，效率高。