激光制導武器半實物仿真主控系統(tǒng)研究

范麗，韓文波

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

半實物仿真主控系統(tǒng)是激光制導半實物仿真系統(tǒng)中的重要組成部分[1]，主控系統(tǒng)主要完成對試驗任務進行參數(shù)配置、控制實驗流程及對仿真試驗數(shù)據(jù)進行采集、存儲和顯示的功能，完成閉環(huán)仿真試驗。

1 激光制導武器半實物仿真主控系統(tǒng)組成及功能

激光制導武器半實物仿真系統(tǒng)是在實驗室條件下模擬導彈攻擊目標的全流程，其組成如圖1所示。轉臺正上方安裝一套二維擺鏡系統(tǒng)，激光束將照射到漫反射屏上，用于模擬目標運動軌跡。兩軸轉臺模擬彈體運動，轉臺上安裝導引頭（視覺檢測系統(tǒng)）。主控計算機接收導引頭檢測到的光點相對視場中心線的視線角從而觀測目標的方位信息，經(jīng)計算后輸出控制兩軸轉臺的運動，從而實現(xiàn)閉環(huán)仿真實驗。最后由三維視景計算機形象、生動地顯示戰(zhàn)場環(huán)境和導彈攻擊目標的過程。

主控系統(tǒng)是激光制導武器半實物仿真系統(tǒng)的重要組成部分，如圖1的虛線部分。主控系統(tǒng)實現(xiàn)半實物仿真各計算機之間的通信，對仿真試驗數(shù)據(jù)進行采集、存儲和顯示，根據(jù)試驗任務進行參數(shù)配置，控制實驗流程。

圖1 主控系統(tǒng)組成框圖

2 主控系統(tǒng)各通信接口設計

主控計算機需要與導引頭、二維振鏡、轉臺控制計算機、三維視景計算機進行通信，這就需要選擇適合的通信方式。主控系統(tǒng)的連接方式如圖2所示。

圖2 主控系統(tǒng)通信接口

（1）主控計算機與轉臺計算機的通信實時性要求特別高，選用高速、實時、確定性好的光纖反射內存。解決實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性問題[2]。

（2）主控計算機與三維視景計算機間的通信實時性要求并不是很高，選用以太網(wǎng)通信[3]。

（3）主控計算機與二維振鏡的通信只是控制系統(tǒng)仿真環(huán)境設置參數(shù)和參數(shù)回傳，相對簡單且對實時性要求不高，采用RS232串口通信方式。

（4）導引頭對目標進行實時采集后發(fā)送給主控計算機，速率要求較高，選用傳輸速度能達到1000Mbit秒的千兆網(wǎng)卡[4]。

3 半實物仿真主控系統(tǒng)軟件設計

主控系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境為Windows+RTX系統(tǒng)壞境，RTX可實現(xiàn)0.5ms的精確定時，適合于連續(xù)動力學系統(tǒng)數(shù)學和半實物仿真[5]。主控軟件的人機交互模塊采用Windows環(huán)境下C++語言進行編程，而閉環(huán)仿真實驗中的彈道解算模塊因為要求實時性，需要運行在RTX環(huán)境下，二者通過共享內存進行通訊。

3.1 主控系統(tǒng)架構設計

主控系統(tǒng)需要實現(xiàn)人機交互的功能，包括指令模塊和顯示模塊。主控系統(tǒng)的邏輯架構圖如圖3所示。

圖3 主控軟件邏輯架構圖

3.1.1 指令模塊

指令模塊負責用戶向計算機發(fā)出指令，具體可實現(xiàn)仿真選擇、流程控制、曲線設置、系統(tǒng)設置。

仿真選擇提供了半實物仿真系統(tǒng)的開環(huán)仿真試驗和閉環(huán)仿真試驗兩種仿真模式。

（1）開環(huán)仿真試驗主要考查導引頭在彈道仿真條件下是否能正確跟蹤目標，考核導引頭制導信號是否正確，通過數(shù)據(jù)分析，查找系統(tǒng)存在的問題，為最終閉環(huán)仿真試驗做準備。實驗流程包括主控計算機運行彈道仿真程序，導引頭將敏感到的彈目視線角信號發(fā)送給計算機，但此制導信息并不參與計算機的彈道解算，而是利用計算機自身的導引頭數(shù)學模型進行解算并形成彈道閉環(huán)。其仿真流程如圖5所示。

圖5 開環(huán)仿真實驗流程

（2）閉環(huán)仿真試驗主要實現(xiàn)導彈攻擊目標的全過程仿真。試驗前設定閉環(huán)周期、被試導彈的各項參數(shù)等信息，仿真試驗進行時，主控計算機接收導彈運動模型解算出的運動學數(shù)據(jù)、導引頭回傳的測量數(shù)據(jù)，計算舵機數(shù)學模型的控制輸出角度，形成一次彈道仿真的閉環(huán)實驗，經(jīng)多次重復實驗直至命中目標。最后主控計算機給出在全彈道狀態(tài)下的脫靶量。閉合仿真實驗流程如圖6所示：

圖6 閉合回路仿真流程

流程控制：主要用于控制仿真試驗的工作流程。按照“打開模型-＞參數(shù)設置-＞開始仿真-＞停止仿真-＞復位”的操作順序進行控制，并且過程信息將記錄顯示在日志列表區(qū)域。

曲線設置：提供了對四個曲線控件的樣式設定。

系統(tǒng)設置：提供了網(wǎng)絡參數(shù)的設置及數(shù)據(jù)庫連接等。

3.1.2 顯示模塊

顯示模塊是為了使觀測者能直觀地看到導彈的坐標信息、姿態(tài)信息、過載信息、視線信息等。其流程框圖如圖7所示。

圖7 顯示模塊流程圖

3.2 主控系統(tǒng)在RTSS進程和Windows進程下的具體設計

首先將軟件劃分為Win32進程下的模塊與RTSS進程下的模塊，確定模塊間的調用關系以及模塊的接口，其具體劃分如下表1所示：

表1 Win32進程和RTSS進程模塊分類

3.2.1 Win32進程下程序設計

Win32進程下人機交互程序主要實現(xiàn)創(chuàng)建共享內存及創(chuàng)建RTSS進程，啟動定時器及讀取共享內存數(shù)據(jù)及異常處理等。具體流程圖如圖8所示。

圖8 Win32進程下程序流程圖

3.2.2 RTSS進程下程序設計

RTSS進程下讀取彈道解算實時數(shù)據(jù)程序主要實現(xiàn)打開共享內存、啟動定時器及讀取共享內存數(shù)據(jù)，同步輸出彈道結算數(shù)據(jù)及異常處理。具體流程圖如圖9所示。

圖9 RTSS進程程序流程圖

3.2.3 Windows進程與RTSS進程間通信

Win32進程與RTSS進程的通訊模塊是是通過共享內存進行的，共享內存是定義在這兩個進程下的特定的物理地址區(qū)域，在獲得指針后，兩個進程就可以對其進行讀寫操作。且在兩個進程下的所有模塊都可直接調用此模塊中的共享內存[6]。

圖10 Windows進程與RTSS進程間通信

3.3 主控系統(tǒng)主界面

主控軟件模塊的中心任務是對試驗過程和飛行仿真模擬流程節(jié)點進行管理，對測試數(shù)據(jù)顯示，如彈道軌跡、坐標信息、姿態(tài)信息、視線信息等。

主控系統(tǒng)主界面設計分為四個部分，分別是：用戶操作、圖像顯示、曲線顯示以及具體數(shù)據(jù)顯示。主控系統(tǒng)主界面如圖11所示：

圖11 主控軟件界面

指令模塊欄采用Metro風格，點擊不同的功能標簽可以切換系統(tǒng)提供的各種功能。

4 結果分析與結論

激光制導半實物仿真主控系統(tǒng)可以實現(xiàn)流程控制、實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的采集、保存和顯示和處理功能。

測試主控系統(tǒng)功能通過閉環(huán)仿真實驗進行，閉環(huán)仿真試驗主要實現(xiàn)導彈攻擊目標的全過程仿真。閉環(huán)仿真實驗中驗證了主控系統(tǒng)完成了預期的功能要求。具體實現(xiàn)過程如下：

1.流程控制功能，主要包括打開模型、參數(shù)設置、開始仿真、停止仿真和復位，具體見圖12左上角。

2.對測試數(shù)據(jù)的采集及顯示，測試數(shù)據(jù)主要包括導引頭方位信息、導彈彈道解算出的彈道數(shù)據(jù)及轉臺運動數(shù)據(jù)。具體見圖12。

圖12 閉環(huán)仿真試驗圖

3.閉環(huán)仿真實驗結果保存，在閉環(huán)試驗中需要保存的數(shù)據(jù)包括轉臺的運動數(shù)據(jù)（如圖13）、彈道數(shù)據(jù)等。彈道數(shù)據(jù)保存的文件類型為.RTSS文件，可通過第三方軟件DisplaySimuData.exe工具進行轉換提取后導入Origin中進行數(shù)據(jù)分析，導出的數(shù)據(jù)如圖14所示。

通過半實物仿真系統(tǒng)的閉環(huán)仿真實驗，驗證了主控系統(tǒng)完成了預期的功能。

圖13 轉臺追蹤性能數(shù)據(jù)記錄文件

圖14 導彈彈道解算出的彈道數(shù)據(jù)