飛控動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)性能桌面測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

許飛，袁杰波，田若思，丁小芩，榮婉婷

(1.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

常見(jiàn)的導(dǎo)彈初始對(duì)準(zhǔn)方法有自對(duì)準(zhǔn)、靜基座對(duì)準(zhǔn)、動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)等，隨著有移動(dòng)發(fā)射需求的空空導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈的加速發(fā)展，應(yīng)用于各種場(chǎng)景下的動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)方法成為了研究熱點(diǎn)[1]。相較于其他的對(duì)準(zhǔn)方法，動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)需要外部信息進(jìn)行輔助，且外部信息和子慣導(dǎo)信息都隨環(huán)境變化[2]，對(duì)準(zhǔn)工作時(shí)序復(fù)雜，對(duì)準(zhǔn)和導(dǎo)航過(guò)程中需監(jiān)測(cè)的量時(shí)間分布較為分散，因此，桌面級(jí)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)性能測(cè)試無(wú)法覆蓋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。基于桌面測(cè)試環(huán)境下，對(duì)飛控軟件狀態(tài)驗(yàn)證不到位，只能帶著問(wèn)題系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，增加了系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題分析復(fù)雜性和飛控軟件反復(fù)次數(shù)，導(dǎo)彈研制進(jìn)度較慢。本文針對(duì)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)特性和桌面測(cè)試現(xiàn)狀，整合現(xiàn)有測(cè)試流程，基于MFC，Matlab技術(shù)，研制了飛控動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)性能桌面測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)首次收斂時(shí)間測(cè)試、收斂品質(zhì)測(cè)試、導(dǎo)航誤差測(cè)試等功能，且具備擴(kuò)展能力，通過(guò)適應(yīng)性更改軟件，對(duì)各型飛控動(dòng)基座軟件進(jìn)行桌面測(cè)試，實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)通用化[3]。

1 動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)性能桌面測(cè)試方法分析

動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)需要配備主慣導(dǎo)和子慣導(dǎo)2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)，它是一種特殊的對(duì)準(zhǔn)方式，由外部信息(主慣導(dǎo))輔助，導(dǎo)彈上的子慣導(dǎo)利用已對(duì)準(zhǔn)好的主慣導(dǎo)信息進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)校正。主慣導(dǎo)傳遞給子慣導(dǎo)的姿態(tài)、速度、位置等信息，由于安裝誤差、載體形變等因素[4]，存在一定的失準(zhǔn)角，需要?jiǎng)踊鶎?duì)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型通過(guò)一定的濾波方式估計(jì)失準(zhǔn)角，對(duì)子慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)進(jìn)行修正[5]。動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)的性能可通過(guò)如下測(cè)試進(jìn)行評(píng)判。

1.1 首次收斂時(shí)間測(cè)試

飛控軟件中有動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)實(shí)時(shí)收斂標(biāo)志字、周期性重置濾波器后收斂標(biāo)志字、運(yùn)行過(guò)程中從未收斂標(biāo)志字，桌面測(cè)試平臺(tái)通過(guò)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)收斂標(biāo)志字首次置1的時(shí)間，即可得知導(dǎo)彈動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)首次收斂的時(shí)間[6]。在收斂品質(zhì)一樣時(shí)，首次收斂時(shí)間越小越好。

1.2 動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)工作時(shí)序測(cè)試

飛控動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)分支運(yùn)行一拍后，姿態(tài)角會(huì)被刷新，桌面測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)導(dǎo)彈姿態(tài)角第1次變?yōu)榉?，記為動(dòng)基座開(kāi)啟時(shí)間。飛控軟件運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)有導(dǎo)彈運(yùn)行狀態(tài)返回，桌面測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)該狀態(tài)字可得知飛控動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)工作時(shí)序是否運(yùn)行正常。

1.3 收斂品質(zhì)評(píng)估

取導(dǎo)彈狀態(tài)變量為

X=(δvn,δve,?n,?u,?e).

(1)

狀態(tài)方程為

(2)

式中：F為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；W為系統(tǒng)噪聲陣。

觀測(cè)方程為

Z=HX+V,

(3)

式中:

(4)

濾波過(guò)程如下：

P=ΦPΦT+Qk,

(5)

K=PHT[HPHT+R]-1,

(6)

X=ΦX+K[Z-HΦX],

(7)

P=[I-KH]P[I-KH]T+KRKT.

(8)

在重置濾波器前，失準(zhǔn)角誤差矩陣P中的敏感值絕對(duì)值應(yīng)該有變小趨勢(shì)且趨于穩(wěn)定，查看失準(zhǔn)角標(biāo)準(zhǔn)差判定導(dǎo)彈動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)品質(zhì)[7]。

1.4 導(dǎo)航誤差測(cè)試

模擬發(fā)控通訊封鎖后，給飛控裝訂初始導(dǎo)航參數(shù)，飛控根據(jù)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)結(jié)果開(kāi)始捷聯(lián)解算，模擬IMU以封鎖時(shí)刻的姿態(tài)，保持靜止、靜止情況加高斯白噪聲的狀態(tài)下導(dǎo)航100 s，分別判斷導(dǎo)彈飛行的距離，測(cè)試導(dǎo)彈導(dǎo)航誤差[8]，導(dǎo)航誤差越小越好。

2 動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)性能桌面測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 桌面測(cè)試系統(tǒng)總體方案

飛控動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)性能桌面測(cè)試系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成，硬件包括：飛控設(shè)備、電氣轉(zhuǎn)接箱、模型計(jì)算機(jī)、模擬發(fā)控計(jì)算機(jī)、電源、配套電纜，軟件平臺(tái)包括模型機(jī)軟件、模擬發(fā)控軟件、遙測(cè)接收分析軟件。桌面測(cè)試系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

圖1 桌面測(cè)試系統(tǒng)總體方案框圖Fig.1 Desktop test system overall solution block diagram

電氣轉(zhuǎn)接箱通過(guò)2根測(cè)試總線與飛行控制設(shè)備相連，完成飛控的供電和各個(gè)外設(shè)的連接；與模型機(jī)設(shè)備通過(guò)2路422總線連接，完成飛行過(guò)程中慣測(cè)量和導(dǎo)引頭的模擬數(shù)據(jù)收發(fā)；與模擬發(fā)控設(shè)備通過(guò)1路422總線連接，模擬發(fā)射裝置的發(fā)控流程，完成導(dǎo)彈初始參數(shù)裝訂；模型基設(shè)備和模擬發(fā)控設(shè)備之間通過(guò)1路422總線連接，完成同步信號(hào)的收發(fā)，使得裝訂數(shù)據(jù)與慣測(cè)量的變化同步；除飛控以外的各個(gè)設(shè)備外界交流電源進(jìn)行供電。本文重點(diǎn)介紹軟件平臺(tái)。

2.2 桌面測(cè)試系統(tǒng)軟件方案

2.2.1 軟件功能概述

根據(jù)系統(tǒng)功能定義，充分考慮多平臺(tái)融合、簡(jiǎn)化使用流程和強(qiáng)實(shí)時(shí)性的需求，選用MFC作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Matlab數(shù)字仿真過(guò)程封裝成dll庫(kù)作為被調(diào)用對(duì)象，連接SQL數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生供桌面仿真使用的目標(biāo)數(shù)據(jù)。MFC是微軟提供的基于C++語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)，支持圖形、接口通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、多線程等高級(jí)開(kāi)發(fā)應(yīng)用，便于設(shè)計(jì)人員二次開(kāi)發(fā)[9]。Matlab擁有豐富的優(yōu)化、計(jì)算工具，擅長(zhǎng)于做復(fù)雜的矩陣運(yùn)算。MFC和Matlab之間的混合編程，將綜合MFC可視化編程和Matlab數(shù)值計(jì)算的優(yōu)勢(shì)[10]，提高桌面測(cè)試系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)效率，縮短研發(fā)周期。同時(shí)，規(guī)定好dll庫(kù)的調(diào)用接口后，不同型號(hào)間只需更換數(shù)字仿真過(guò)程即可測(cè)試，易于實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的通用化。軟件整體框架如圖2所示。

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)要求

桌面測(cè)試系統(tǒng)軟件根據(jù)配置的導(dǎo)彈發(fā)射裝置初始位置和姿態(tài)、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、運(yùn)行速度、桿臂長(zhǎng)度、封鎖發(fā)控時(shí)間、模擬飛行時(shí)間、是否有高斯白噪聲，實(shí)時(shí)仿真模擬發(fā)控和模擬IMU的輸出全過(guò)程，生成2個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)，供模擬發(fā)控和模擬IMU調(diào)用。模擬發(fā)控動(dòng)態(tài)完成飛控參數(shù)裝訂，模擬IMU實(shí)時(shí)輸出導(dǎo)彈的慣測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)試飛控動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)軟件功能和性能。具體軟件功能要求如下：

圖2 測(cè)試平臺(tái)軟件執(zhí)行框圖Fig.2 Test platform software execution block diagram

(2) 仿真初始化：響應(yīng)仿真初始化命令，Matlab讀入界面配置的仿真參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源分配、創(chuàng)建仿真進(jìn)程、初始化輸出文件。

(3) 仿真進(jìn)程調(diào)度：響應(yīng)仿真開(kāi)始、仿真結(jié)束等界面控制命令，完成主慣導(dǎo)、子慣導(dǎo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和位置等參數(shù)的動(dòng)態(tài)仿真[12]。

(4) 數(shù)據(jù)庫(kù)文件生成：將主慣導(dǎo)、子慣導(dǎo)動(dòng)態(tài)仿真出的數(shù)據(jù)按指定格式存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(5) 人機(jī)界面交互：實(shí)時(shí)顯示發(fā)射裝置和導(dǎo)彈狀態(tài)，響應(yīng)人機(jī)交互設(shè)置、發(fā)射裝置運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)設(shè)置。

(6) 數(shù)據(jù)加載：點(diǎn)完開(kāi)始測(cè)試按鈕，模擬發(fā)控和模擬IMU軟件需要實(shí)時(shí)加載仿真生成的數(shù)據(jù)庫(kù)，按照指定的周期逐行給飛控發(fā)送數(shù)據(jù)。

(7) 通信同步：根據(jù)作戰(zhàn)時(shí)發(fā)控、IMU與飛控通信的真實(shí)時(shí)序，同步兩者首次與飛控建立通信的時(shí)間。

(8) 長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定通信：模擬發(fā)控和模擬IMU軟件要嚴(yán)格按照配置的周期、封鎖時(shí)間與導(dǎo)彈飛控進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的422總線通信。

(9) 數(shù)據(jù)記錄與分析：測(cè)試開(kāi)始后實(shí)時(shí)記錄飛控的遙測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試敏感信息進(jìn)行分析，得出結(jié)論。

我國(guó)的產(chǎn)融結(jié)合呈現(xiàn)三大特點(diǎn)：一是結(jié)合方向單向性，因現(xiàn)行金融法規(guī)限制，我國(guó)都是產(chǎn)業(yè)資本向金融資本單向流動(dòng)；二是結(jié)合方式多樣性，受各地市場(chǎng)發(fā)展不平衡、企業(yè)發(fā)展階段不一致影響，我國(guó)從初級(jí)的產(chǎn)融結(jié)合到系統(tǒng)的金融控股公司均存在；三是運(yùn)作主體規(guī)范性，我國(guó)幾乎是大型企業(yè)、龍頭企業(yè)、優(yōu)勢(shì)企業(yè)先行開(kāi)展產(chǎn)融結(jié)合業(yè)務(wù)。

(10) 異步多線程執(zhí)行：將硬件通信、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)界面刷等新分別建立線程，提高CPU利用效率。

2.2.3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)說(shuō)明

針對(duì)圖2的軟件整體執(zhí)行框圖，重點(diǎn)介紹Matlab操作SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、MFC程序調(diào)用Matlab仿真生成的dll、模擬發(fā)控和模擬IMU通信同步、周期控制、多線程異步執(zhí)行。

(1) Matlab要連接數(shù)據(jù)庫(kù)，必須使用JDBC/ODBC Bridge。用C/C++語(yǔ)言將JDBC調(diào)用轉(zhuǎn)換為ODBC APIS，送給待訪問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的ODBC驅(qū)動(dòng)程序，其連接過(guò)程如圖3所示[13]。Matlab對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)SQL的操作，可以先獲取數(shù)據(jù)庫(kù)句柄，然后調(diào)用Matlab函數(shù)進(jìn)行操作，Matlab常用的數(shù)據(jù)庫(kù)操作有exec,ping,insert,close,database,get,set,update,rows,cols等[14]。Matlab程序界面通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)保存路徑、文件名、用戶名、密碼、仿真時(shí)間(封鎖時(shí)間)即可得到目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，由于數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)具有遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能，可直接將數(shù)據(jù)庫(kù)保存到各自待運(yùn)行的仿真宿主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了仿真軟件多臺(tái)運(yùn)行機(jī)器之間的一體化操作。

(2) Matlab可編寫(xiě)2種m文件：腳本文件、函數(shù)文件。腳本文件由一系列變量和函數(shù)組成，沒(méi)有輸入輸出參數(shù)，可直接運(yùn)行，但無(wú)法被轉(zhuǎn)換為dll。而函數(shù)文件擁有輸入輸出參數(shù)和返回值，只需給待調(diào)用的腳本文件加一個(gè)函數(shù)名，通過(guò)Matlab代碼編譯器mcc創(chuàng)建基于C/C++的dll，本測(cè)試系統(tǒng)軟件采用函數(shù)文件編寫(xiě)Matlab數(shù)字仿真過(guò)程，實(shí)現(xiàn)dll轉(zhuǎn)換較為方便[15]。MFC程序調(diào)用Matlab代碼生成的dll，可選用Matlab開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供的mbuild工具編譯鏈接，也可在IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境下使用MSVC工具來(lái)編譯鏈接。考慮到軟件的可繼承性、通用性的原則，本測(cè)試系統(tǒng)軟件選用MSVC，在VC中添加Matlab安裝路徑和Lib路徑，編寫(xiě)調(diào)用dll的驅(qū)動(dòng)代碼，即可完成MFC程序調(diào)用數(shù)字仿真生成的dll。

(3) 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)要想讓發(fā)控裝訂的戰(zhàn)車(chē)信息和模型機(jī)產(chǎn)生的慣測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到動(dòng)態(tài)匹配，必須使2個(gè)軟件在時(shí)間上達(dá)到同步。因此，模型機(jī)開(kāi)啟后先給模擬發(fā)控發(fā)送4字節(jié)同步幀，收到回復(fù)后再給飛控發(fā)送格式如表1所示的數(shù)據(jù)幀。模擬發(fā)控軟件啟動(dòng)后，循環(huán)檢測(cè)同步字節(jié)，匹配后才給飛行控制設(shè)備發(fā)送運(yùn)行令。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，先打開(kāi)模擬發(fā)控軟件，然后打開(kāi)模型機(jī)軟件，動(dòng)態(tài)測(cè)試軟件的操作流程如圖4所示。

圖3 Matlab與數(shù)據(jù)庫(kù)連接Fig.3 Matlab and database connection

表1 模型機(jī)422通信格式Table 1 Model machine 422 communication format

圖4 動(dòng)態(tài)測(cè)試軟件操作流程Fig.4 Dynamic test software operation process

(4) 桌面仿真軟件與飛控的RS-422通信都是按照固定的周期進(jìn)行的，具體周期控制流程圖如圖5所示。進(jìn)入循環(huán)發(fā)送之前記下上一拍計(jì)數(shù)器的拍數(shù)，然后實(shí)時(shí)比對(duì)當(dāng)前計(jì)數(shù)器的拍數(shù)，直到達(dá)到分頻后的頻率值再進(jìn)行RS-422通信，更新上一拍的拍數(shù)到當(dāng)前拍數(shù)。在示波器上觀測(cè)分頻后RS-422通信頻率，用1 ms的延時(shí)函數(shù)修正周期差值。對(duì)于模擬IMU軟件，定時(shí)部分建在RS-422發(fā)送進(jìn)程中。對(duì)于模擬發(fā)控軟件，定時(shí)部分建在發(fā)控流程線程中。

圖5 仿真軟件周期控制流程圖Fig.5 Simulation software cycle control flow chart

(5) 考慮桌面測(cè)試系統(tǒng)軟件涉及到RS-422的收發(fā)通信、模型解算、發(fā)控流程處理、窗口顯示刷新等速率不一的流程，若程序采用單線程順序執(zhí)行，CPU大部分時(shí)間都在死等，窗口將不能流暢的更新?tīng)顟B(tài)。因此，軟件采用異步多線程方式進(jìn)行編程，采用如圖6的模擬IMU結(jié)構(gòu)圖和如圖7的模擬發(fā)控結(jié)構(gòu)圖。

3 系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證舉例

為了驗(yàn)證測(cè)試仿真平臺(tái)的正確性，選擇了成熟的飛控軟件和數(shù)字仿真原Matlab代碼，仿真測(cè)試導(dǎo)彈靜止發(fā)射和以20 m/s勻速前進(jìn)發(fā)射的情況。測(cè)試結(jié)果顯示，首次收斂時(shí)間均小于5 s，在失準(zhǔn)角值趨于穩(wěn)定前一段時(shí)間值較大，是由于卡爾曼濾波還未收斂，屬于正常現(xiàn)象。首次收斂前，靜止發(fā)射時(shí)北向、東向失準(zhǔn)角標(biāo)準(zhǔn)差為0.041°,0.039°，勻速前進(jìn)發(fā)射兩向失準(zhǔn)角均方差為0.076°,0.059°，2種方式的100 s靜止導(dǎo)航誤差均小于60 m，與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)結(jié)果符合,見(jiàn)圖8,9。

圖6 模型機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Model machine structure diagram

圖7 模擬發(fā)控結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Analog control structure diagram

圖8 靜止發(fā)射失準(zhǔn)角Fig.8 Static emission misalignment angle

圖9 勻速前進(jìn)發(fā)射失準(zhǔn)角Fig.9 Uniform forward launch misalignment angle

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)研究為背景，提出了一種飛控動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)性能桌面測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)測(cè)試方法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討，得出測(cè)試結(jié)論。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，分別對(duì)軟件功能、設(shè)計(jì)要求、關(guān)鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，通過(guò)MFC調(diào)用Matlab生成的數(shù)字仿真dll實(shí)現(xiàn)平臺(tái)通用化。相較于傳統(tǒng)的桌面靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，此桌面測(cè)試系統(tǒng)能夠仿真導(dǎo)彈發(fā)射的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)飛控軟件動(dòng)基座功能和性能的驗(yàn)證更全面，提高了飛控軟件研制效率，降低系統(tǒng)調(diào)試成本，在涉及桌面動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。