艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

吳小強(qiáng)

（海軍駐連云港七一六所軍事代表室 連云港 222061）

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展以及軍用和民用領(lǐng)域?qū)Ψ抡婕夹g(shù)的迫切需求，特別是在軍用領(lǐng)域，仿真技術(shù)已成為武器系統(tǒng)研制與試驗(yàn)中的先導(dǎo)技術(shù)、檢驗(yàn)技術(shù)和分析技術(shù)，被應(yīng)用到武器系統(tǒng)的全生命周期，包括論證、設(shè)計(jì)、研制、定型測(cè)試驗(yàn)收以及裝備后的模擬訓(xùn)練過(guò)程中。在艦炮武器系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)程中，針對(duì)其生命周期不同階段的仿真需求研制出了多種仿真測(cè)試系統(tǒng)以及模擬訓(xùn)練設(shè)備，仿真測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)火控設(shè)備的測(cè)試功能，但不具備模擬訓(xùn)練功能，而模擬訓(xùn)練設(shè)備由于設(shè)備精密、造價(jià)昂貴等因素，除了實(shí)際裝備和設(shè)備研制單位的原型設(shè)備外，沒有實(shí)際器材可供靶場(chǎng)試驗(yàn)人員進(jìn)行訓(xùn)練和研究。

根據(jù)某靶場(chǎng)對(duì)某型艦炮火控設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和對(duì)火控設(shè)備操作手進(jìn)行訓(xùn)練的需求，本文提出一種艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)建設(shè)方案，在采用商用計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)的條件下，搭建了一個(gè)實(shí)時(shí)模擬測(cè)試平臺(tái)，為火控設(shè)備測(cè)試提供仿真戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息及火控設(shè)備外部驅(qū)動(dòng)信息，并對(duì)火控設(shè)備的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估；同時(shí)從設(shè)備功能、操作流程、人機(jī)交互、界面顯示等方面對(duì)火控設(shè)備進(jìn)行高逼真度模擬，提高操作手訓(xùn)練的沉浸感和真實(shí)感。系統(tǒng)已成功研制，應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠較好地滿足靶場(chǎng)的定型試驗(yàn)及訓(xùn)練需求。

2 艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

為完成艦炮火控設(shè)備的模擬與測(cè)試兩大任務(wù)，艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)要求具備戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真能力、火控設(shè)備外圍信息仿真能力、數(shù)據(jù)錄取和評(píng)估能力以及火控設(shè)備模擬能力。采用模塊化設(shè)計(jì)思想可將系統(tǒng)劃分為綜合控制臺(tái)與接口機(jī)柜兩部分。接口機(jī)柜包括戰(zhàn)情仿真單元、艦炮系統(tǒng)信息仿真單元和數(shù)據(jù)采集處理單元，主要完成火控設(shè)備測(cè)試功能；綜合控制臺(tái)包括任務(wù)計(jì)算機(jī)和人機(jī)接口計(jì)算機(jī)，主要完成火控設(shè)備模擬功能。艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)組成圖

2.1.1 戰(zhàn)情仿真單元

戰(zhàn)情仿真單元通過(guò)提供方便友好的人機(jī)界面，輔助用戶設(shè)定戰(zhàn)場(chǎng)初始態(tài)勢(shì)、規(guī)劃我艦及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)航路，能夠模擬生成目標(biāo)航路、我艦航路及姿態(tài)等信息，為火控設(shè)備測(cè)試提供所需的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)環(huán)境；并能控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化、運(yùn)行和結(jié)束等操作以及根據(jù)真實(shí)目標(biāo)的航路數(shù)據(jù)文件進(jìn)行航路復(fù)現(xiàn)。

2.1.2 艦炮系統(tǒng)信息仿真單元

艦炮系統(tǒng)信息仿真單元具有跟蹤雷達(dá)、光電、捷聯(lián)設(shè)備和艦炮全數(shù)字仿真功能；能根據(jù)火控目標(biāo)指數(shù)據(jù)和仿真目標(biāo)的航路真值、我艦航路和姿態(tài)真值，解算輸出跟蹤雷達(dá)目標(biāo)的跟蹤數(shù)據(jù)、光電目標(biāo)的跟蹤數(shù)據(jù)，根據(jù)火控諸元數(shù)據(jù)仿真輸出艦炮架位數(shù)據(jù)，根據(jù)己艦姿態(tài)真值解算輸出捷聯(lián)數(shù)據(jù)，并用解算出的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)火控設(shè)備按作戰(zhàn)過(guò)程工作。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集處理單元

數(shù)據(jù)采集處理單元能對(duì)艦炮火控設(shè)備輸出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽、解析并記錄成文件，能解算火控諸元真值、對(duì)火控諸元數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)估。

2.1.4 任務(wù)計(jì)算機(jī)

任務(wù)計(jì)算機(jī)能接收并處理目標(biāo)指示數(shù)據(jù)，進(jìn)行火力通道組織，給模擬跟蹤雷達(dá)和模擬光電跟蹤儀發(fā)送目標(biāo)指示數(shù)據(jù)，可同時(shí)接收來(lái)自跟蹤雷達(dá)和光電跟蹤儀的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)，以及來(lái)自捷聯(lián)垂直基準(zhǔn)的我艦運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)參數(shù)，計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素，采用射表逼近和實(shí)時(shí)積分解彈道微分方程兩種算法，求取射擊諸元。

2.1.5 人機(jī)接口計(jì)算機(jī)

人機(jī)接口計(jì)算機(jī)主要完成人機(jī)交互功能，響應(yīng)用戶對(duì)跟蹤球、觸摸屏、數(shù)字鍵盤、擴(kuò)展鍵盤及操縱桿的各種操作命令，完成綜合圖形和表頁(yè)顯示，對(duì)跟蹤雷達(dá)、光電跟蹤儀、艦炮、捷聯(lián)垂直基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行顯示。

2.2 系統(tǒng)工作方式

艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)具有火控設(shè)備測(cè)試和火控設(shè)備模擬兩種工作方式。

圖2 艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)工作流程圖

在火控設(shè)備測(cè)試工作方式下，綜合控制臺(tái)不工作，接口機(jī)柜通過(guò)以太網(wǎng)與被試艦炮火控設(shè)備相連，戰(zhàn)情仿真單元生成目標(biāo)航路信息和己艦姿態(tài)、航路信息，并將模擬出的作戰(zhàn)系統(tǒng)目指數(shù)據(jù)發(fā)送給被試艦炮火控設(shè)備，被試艦炮火控設(shè)備在戰(zhàn)斗方式下工作，根據(jù)作戰(zhàn)系統(tǒng)目指數(shù)據(jù)解算輸出火控目指數(shù)據(jù)，并根據(jù)艦炮系統(tǒng)信息仿真單元輸出的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)、捷聯(lián)數(shù)據(jù)，計(jì)算輸出火控諸元數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集處理單元采集艦炮火控設(shè)備輸出數(shù)據(jù)，對(duì)火控設(shè)備的反應(yīng)時(shí)間、輸出諸元精度進(jìn)行評(píng)估。

在火控設(shè)備模擬工作方式下，模擬測(cè)試系統(tǒng)的綜合控制臺(tái)和接口機(jī)柜自成體系，完成艦炮火控設(shè)備模擬功能；接口機(jī)柜戰(zhàn)情仿真單元發(fā)送操控信息實(shí)現(xiàn)接口機(jī)柜內(nèi)各計(jì)算機(jī)運(yùn)行控制、戰(zhàn)情信息模擬輸出，艦炮系統(tǒng)信息仿真單元根據(jù)戰(zhàn)情信息模擬發(fā)送情報(bào)目指數(shù)據(jù)、捷聯(lián)數(shù)據(jù)，根據(jù)戰(zhàn)情信息及火控目指數(shù)據(jù)模擬發(fā)送跟蹤雷達(dá)目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)、光電目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)，根據(jù)火控諸元數(shù)據(jù)模擬發(fā)送火炮架位數(shù)據(jù)；火控設(shè)備操作手根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)及操作流程對(duì)綜合控制臺(tái)的人機(jī)接口計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種操作，任務(wù)計(jì)算機(jī)根據(jù)捷聯(lián)數(shù)據(jù)、跟蹤雷達(dá)目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)、光電目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)解算輸出火控諸元數(shù)據(jù)。

艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)在兩種工作方式下的工作流程如圖2所示。

3 艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 實(shí)時(shí)模擬測(cè)試平臺(tái)技術(shù)

隨著艦炮武器的發(fā)展，對(duì)火控設(shè)備模擬測(cè)試平臺(tái)提出了很高的要求。一方面，要求模擬測(cè)試平臺(tái)擁有完善的通用功能，例如具有強(qiáng)大圖形顯示功能、較強(qiáng)的硬件支持；另一方面，要求模擬測(cè)試平臺(tái)具有硬實(shí)時(shí)特征，支持在較短的模擬周期內(nèi)以最小的時(shí)延完成對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息驅(qū)動(dòng)，達(dá)到與VxWorks同級(jí)的實(shí)時(shí)處理效果，從而保證與火控設(shè)備的時(shí)間同步精度。采用Windows操作系統(tǒng)的商用計(jì)算機(jī)無(wú)疑具有前一特征，但由于其設(shè)計(jì)上的通用性考慮，是非實(shí)時(shí)的模擬測(cè)試平臺(tái)，不能滿足與VxWorks系統(tǒng)保持時(shí)間同步、數(shù)據(jù)及時(shí)通信的要求，模擬測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)在Windows中嵌入實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊RTX來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

RTX是美國(guó)IntervalZero公司推出解決Windows強(qiáng)實(shí)時(shí)性的擴(kuò)展模塊。RTX為了在Windows操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)特征，充分利用Windows良好的可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，并修改和擴(kuò)展了硬件抽象層—HAL（Hardware Abstract Layer）。RTX能滿足一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所具備的多任務(wù)、基于優(yōu)先級(jí)的搶占調(diào)度、快速靈活的任務(wù)間通信與同步、方便任務(wù)與中斷之間的通信等特點(diǎn)。

基于Windows和RTX的特性，可采用以下方式構(gòu)建艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。將應(yīng)用軟件劃分成兩部分：實(shí)時(shí)進(jìn)程（RTX進(jìn)程）和非實(shí)時(shí)進(jìn)程（Windows進(jìn)程）。時(shí)間同步、模型解算、網(wǎng)絡(luò)通信等實(shí)時(shí)性要求高的功能模塊放到RTX進(jìn)程里實(shí)現(xiàn)，界面顯示、人機(jī)交互等允許有一些時(shí)延的功能模塊放到Windows進(jìn)程中；實(shí)時(shí)進(jìn)程和非實(shí)時(shí)進(jìn)程按系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制，通過(guò)實(shí)時(shí)信號(hào)量和共享內(nèi)存將兩部分有機(jī)結(jié)合在一起。

3.2 艦炮火控設(shè)備高逼真度仿真技術(shù)

對(duì)艦炮火控設(shè)備的高逼真度仿真包括硬件和軟件兩方面。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)艦炮火控設(shè)備的高逼真度模擬，提高訓(xùn)練的沉浸感和真實(shí)性，綜合控制臺(tái)參照實(shí)裝火控臺(tái)的設(shè)備組成及布局，同樣由主顯示器單元、副顯示器單元、操控單元、電子機(jī)箱單元組成，其中操控單元包括跟蹤球、操縱桿、數(shù)字小鍵盤、擴(kuò)展鍵盤、可編程觸摸鍵盤，電子機(jī)箱單元由兩臺(tái)商用計(jì)算機(jī)組成，分別作為任務(wù)計(jì)算機(jī)和人機(jī)接口計(jì)算機(jī)的主機(jī)，最大程度實(shí)現(xiàn)了與實(shí)裝硬件設(shè)備的外觀一致性。綜合控制臺(tái)的軟件界面，完全參照實(shí)裝火控設(shè)備顯示界面的布局、風(fēng)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)綜合控制臺(tái)的操控流程按照火控設(shè)備的實(shí)操過(guò)程來(lái)實(shí)施，真正實(shí)現(xiàn)與艦炮火控設(shè)備的高度一致性；也可將火控設(shè)備使用的核心功能軟件，如火控解算模塊和戰(zhàn)術(shù)軟件模塊直接嵌入綜合控制臺(tái)的任務(wù)計(jì)算機(jī)軟件，提高模擬火控設(shè)備數(shù)據(jù)精度及戰(zhàn)術(shù)響應(yīng)的逼真度。

3.3 跟蹤傳感器誤差仿真技術(shù)

某型艦炮武器系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是對(duì)超高速目標(biāo)進(jìn)行作戰(zhàn)，數(shù)據(jù)頻率高達(dá)100Hz，對(duì)跟蹤器的仿真提出了更高要求。在傳統(tǒng)的跟蹤傳感器仿真中，使用正態(tài)隨機(jī)誤差模型模擬傳感器跟蹤誤差，模擬的跟蹤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性較好，但時(shí)序特性與實(shí)際裝備的差距較遠(yuǎn)，對(duì)火控設(shè)備進(jìn)行模擬測(cè)試的意義不大；而單脈沖雷達(dá)模擬由于按照雷達(dá)工作機(jī)理完成建模，仿真過(guò)程復(fù)雜，其誤差統(tǒng)計(jì)特性不易控制，且耗時(shí)量大，實(shí)時(shí)性無(wú)法保證。針對(duì)跟蹤傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)誤差特性，建立復(fù)合正態(tài)平穩(wěn)隨機(jī)誤差模型，并通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，選取合理模型系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了更加符合裝備傳感器誤差特性的仿真，達(dá)到了高頻率實(shí)時(shí)條件下跟蹤傳感器高性能仿真要求。

3.3.1 正態(tài)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程模型

正態(tài)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程模擬數(shù)學(xué)模型：

誤差ΔX（t），對(duì)應(yīng)于距離、舷角、高低角，X分別為D、Q、ε。

數(shù)學(xué)期望：

相關(guān)函數(shù)：

測(cè)量誤差的模擬：

3.3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析

由于空中目標(biāo)飛行速度快，跟蹤傳感器探測(cè)方位有限，所以單個(gè)航次的測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)量有限，分析過(guò)程中將同一類型目標(biāo)的多個(gè)航次數(shù)據(jù)按順序排列進(jìn)行統(tǒng)一分析。首先考慮到不同航次的測(cè)量系統(tǒng)誤差有較大差別，對(duì)每個(gè)航次誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，每個(gè)航次誤差點(diǎn)數(shù)據(jù)減去該航次的系統(tǒng)誤差，得到0均值的誤差序列數(shù)據(jù)；其次對(duì)兩個(gè)航次相接處有選擇地去掉部分點(diǎn)，保證前一航次最后一個(gè)點(diǎn)誤差與后一航次第一個(gè)點(diǎn)誤差之間沒有大的跳變；最后對(duì)統(tǒng)一的誤差序列進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算相關(guān)系數(shù)ρ。

3.3.3 仿真及結(jié)果分析

以某跟蹤雷達(dá)對(duì)無(wú)人機(jī)跟蹤測(cè)量的舷角數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和仿真，按照其性能指標(biāo)和相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行“正態(tài)平穩(wěn)”和“正態(tài)隨機(jī)”兩種方法仿真，實(shí)測(cè)誤差與兩種不同方法仿真誤差的對(duì)比關(guān)系如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果對(duì)比

將仿真數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差與相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)對(duì)比，結(jié)果見表1，由此可見正態(tài)平穩(wěn)仿真更加符合實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

表1 兩種方法仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與實(shí)測(cè)結(jié)果比對(duì)表

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了艦炮火控設(shè)備模擬與測(cè)試系統(tǒng)的組成及工作方式，闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中部分關(guān)鍵技術(shù)的解決方法。研制出的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了火控設(shè)備測(cè)試和模擬兩大功能，已成功應(yīng)用于某型艦炮火控設(shè)備的定型試驗(yàn)，并用來(lái)對(duì)操作手進(jìn)行日常訓(xùn)練，實(shí)踐證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。同時(shí)系統(tǒng)采用了通用的商用技術(shù)，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠，方便未來(lái)針對(duì)新型艦炮武器系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造。

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