導彈動態(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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導彈動態(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)

首先簡單介紹了導彈動態(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。從實時仿真平臺架構(gòu)的搭建、時鐘同步系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)各控制節(jié)點信息的有效傳遞方式三個方面對系統(tǒng)仿真的實時性進行設(shè)計。提出了實現(xiàn)目標模擬器模擬俯仰和偏航兩個方向的彈目視線高速角運動的解決措施,給出復合光路的數(shù)學模型,并通過試驗分析確認復合光路的角度達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的試驗結(jié)果對比驗證了導彈動態(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。

導彈動態(tài)抗干擾測試; 半實物仿真; 實時性; 高速視線運動模擬

1 引 言

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

基于半實物仿真的導彈動態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)可在實驗室內(nèi)方便的對某型紅外制導空空導彈在各種典型彈道下的動態(tài)制導性能進行定量測試、動態(tài)抗干擾性能進行測試和制導控制系統(tǒng)的動態(tài)性能進行測試。

2 系統(tǒng)組成

導彈動態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)主要由目標模擬器、橫滾轉(zhuǎn)臺、慣測模擬器、仿真總控臺、舵機加載臺和仿真計算機及仿真模型組成。測試系統(tǒng)以多臺計算機構(gòu)成分布式控制節(jié)點,通過基于VMIC5565光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各控制節(jié)點的連結(jié),實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)指令交互,在軟件系統(tǒng)的控制下完成對導彈動態(tài)抗干擾性能的測試[1]。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

仿真總控臺主要負責整個測試系統(tǒng)的自動化管理、仿真測試實時運行控制、測試信息的實時顯示等。它可以實現(xiàn)測試過程中被測產(chǎn)品(制導控制艙、舵機)供電供氣控制,導彈工作所需的飛行任務(wù)下發(fā),與產(chǎn)品進行信息交換,仿真運行控制以及導彈輸出的各種模擬量和數(shù)字量信息進行采集存儲處理后以用于對導彈制導性能的分析等功能。

目標模擬器可為測試系統(tǒng)提供一個滿足測試要求的紅外模擬目標源以及二個干擾源。仿真測試時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

為了解決各種半實物仿真系統(tǒng)中的位置轉(zhuǎn)臺只能模擬導彈繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動,而無法模擬慣測裝置中加速度計探測到的導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時模擬產(chǎn)生彈體的線加速度等信息。仿真測試時由仿真計算機將實時解算出的導彈線加速度信息傳遞給慣測模擬器,由慣測模擬器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號,注入導彈慣測接口,實現(xiàn)系統(tǒng)閉合[2]。

舵機加載臺用來模擬導彈飛行過程中作用在舵面上的氣動鉸鏈力矩和推力矢量力矩。測試時舵機舵軸的偏轉(zhuǎn)使加載臺的扭簧桿產(chǎn)生抵抗扭矩,從而實現(xiàn)舵機的被動加載。同時,加載臺上的角度傳感器和扭矩傳感器將相應的角度和力矩信號通過AD卡和脈沖計數(shù)卡采集到計算機,由計算機完成信息的處理和存儲[3]。

橫滾轉(zhuǎn)臺主要功能是接受仿真計算機發(fā)送的橫滾通道的控制信息,復現(xiàn)導彈的空間橫滾姿態(tài)運動。

仿真計算機及仿真模型作為半實物仿真系統(tǒng)的核心,主要承擔導彈動力學和運動學方程、目標運動方程及彈目相對運動方程的實時解算、設(shè)備驅(qū)動等功能。

3 閉環(huán)仿真測試原理

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

舵機加載臺實時采集導彈輸出的舵偏角信號,經(jīng)仿真計算機中導彈運動學、動力學和目標運動模型解算后,反算出導彈的各狀態(tài)參數(shù)。將實時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的法向加速度計和側(cè)向加速度計測量電路,控制橫滾轉(zhuǎn)臺運動以模擬導彈在空中的實際運動。同時解算出目標的當前位置,控制目標/干擾模擬器完成導彈-目標相對視線運動的模擬。仿真總控臺在適當時刻下達投放干擾指令,控制目標模擬器實現(xiàn)干擾的正確投放。導彈制導系統(tǒng)根據(jù)目標視線偏角,依據(jù)相應導引規(guī)律生成控制信號,輸出給導彈姿態(tài)控制系統(tǒng),由彈上計算機根據(jù)各傳感器的信號計算出控制信號,控制舵機偏轉(zhuǎn),實現(xiàn)導彈運動的穩(wěn)定和跟蹤目標,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 仿真實時性設(shè)計

導彈動態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)是將被測產(chǎn)品接入實時仿真回路構(gòu)成的半實物仿真系統(tǒng),時間約束強,是高精度的硬實時系統(tǒng),因此對仿真系統(tǒng)的實時性進行分析設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點[5]。

4.1.1 實時仿真平臺架構(gòu)

仿真計算機系統(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進程;第三部分是Windwos平臺上的實時擴展子系統(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)化和準確性問題,使得計算機解算和算法可滿足實時性要求;Windows進程處理非實時計算任務(wù),如:人機交互環(huán)境、曲線顯示與分析、數(shù)據(jù)存儲等;實時進程處理實時計算任務(wù),如模型計算和實時網(wǎng)絡(luò)通信等。RTX與Windows共存于一臺機器中,而不需要傳統(tǒng)的上下位機的方式。RTX運行于系統(tǒng)內(nèi)核層,實時子系統(tǒng)RTSS的線程優(yōu)先于所有Windows線程,提供了對IRQ、I/O、內(nèi)存的精確直接控制,以確保實時任務(wù)的100%可靠性[5]。通過高速的IPC通訊和同步機制,RTX方便地實現(xiàn)與Windows之間的進行高速實時的數(shù)據(jù)交換。實時仿真平臺架構(gòu)如圖2所示[5]。

圖2 實時仿真平臺架構(gòu)Fig.2 Real time simulation platform architecture

4.1.2 時鐘同步系統(tǒng)設(shè)計

由于仿真測試系統(tǒng)中多個處理機上進行并行仿真計算,為了保證整個系統(tǒng)的同步,必須設(shè)定以某臺設(shè)備的時鐘為基準,采取措施使系統(tǒng)所有其他計算機時鐘與它保持一致。本測試系統(tǒng)利用研華公司生產(chǎn)的PCI-1780U定時/計數(shù)器卡搭建了一套時鐘同步系統(tǒng)。

在仿真測試開始時,仿真總控臺啟動時鐘脈沖輸出,以此作為零時刻,各個節(jié)點計算機內(nèi)也安裝同樣的PCI-1780U計數(shù)卡接收時鐘脈沖,在任意時刻均可通過讀取通道計數(shù)信息,獲取相對與零時刻的毫秒時刻及微秒時刻,每個節(jié)點寫入反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),均按從定時計數(shù)器卡讀取的時統(tǒng)信息打上時標,時標采用相對時標。

4.1.3 仿真實時性實現(xiàn)

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

VMIC5565反射網(wǎng)提供了四個中斷通知消息,源節(jié)點可通過發(fā)送這些消息觸發(fā)其它節(jié)點的中斷,每個中斷通知消息還可以附帶一個32位的參數(shù),通過消息號和參數(shù)的組合,可以構(gòu)建種類豐富的實時應用。設(shè)計中仿真計算機利用其中RFM2GEVENT_INTR2通知消息向其它節(jié)點發(fā)送定時通知(RFM2GEVENT_INTR1通知消息用于主控計算機發(fā)送測試動作通告)。接收節(jié)點在Windows系統(tǒng)下響應該通知會有一定延遲,為掌握該延遲數(shù)值,在兩臺配置Core2Duo 2.66GHz CPU的工控機上采用反射內(nèi)網(wǎng)進行了實際測試,測試原理如圖3所示[7]。

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

工控機對起始時刻和終止時刻的查詢采用多媒體定時器的性能計數(shù)器,可以獲得微秒級的計算精度,測試的結(jié)果表明時間差在120μs左右波動,最大不超過150μs,這一結(jié)果也證明了Windows不是一個強實時性的操作系統(tǒng),但總體速度并不慢。終止時刻與起始時刻的差值包括了兩臺計算機對反射內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)的訪問時間,反射內(nèi)存網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸時間和計算機響應通知消息的延遲時間,因此單次通知消息的響應時間小于測試值的一半。本系統(tǒng)所選用的計算機CPU配置比測試用計算機更加強大,可以保證各個節(jié)點的定時消息響應延遲不大于75μs。

對于控制延遲時間,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)下對反射網(wǎng)卡的訪問時間,本設(shè)計采取以下措施:

(1) 采用高性能工控機平臺,為系統(tǒng)搭建高速處理平臺;

(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) 合理安排各個控制節(jié)點的負擔,避免計算機因為負載過重導致響應速度減緩;

(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的強大處理能力,合理調(diào)度進程和線程優(yōu)先級,確保實時要求高的任務(wù)獲得充分CPU資源[8];

(5) 內(nèi)存管理中,實現(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 彈目高速視線運動模擬實現(xiàn)

仿真測試時目標模擬器需模擬俯仰和偏航兩個方向的彈目視線高速角運動。若采取傳統(tǒng)的目標模擬器整體轉(zhuǎn)動,則轉(zhuǎn)動慣量很大,轉(zhuǎn)臺的功率、尺寸、價格和研制風險相應增大很多。為降低目標轉(zhuǎn)臺的研制風險,系統(tǒng)采用了使目標模擬器固定不動,采用旋轉(zhuǎn)擺鏡實現(xiàn)俯仰方向的高速運動要求,通過控制上擺鏡轉(zhuǎn)臺和下擺鏡三軸復合運動實現(xiàn)偏航方向高速運動要求。俯仰方向的視線運動只需保證上下擺鏡的同步控制即可,本文重點闡述偏航方向的高速視線運動解決方案。

4.2.1 光學系統(tǒng)設(shè)計

光學系統(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,安裝在二維伺服運動框架上,其回轉(zhuǎn)中心和目標方位轉(zhuǎn)臺、導彈位標器旋轉(zhuǎn)中心處于同一旋轉(zhuǎn)軸上,且垂直于導彈軸線,具有二維擺動功能。下擺鏡是反射鏡,安裝在俯仰伺服運動框架上,隨其一同安裝在方位轉(zhuǎn)臺上。

在模擬偏航運動過程中,通過上下擺鏡的三軸復合運動(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)臺做偏航運動,即可實現(xiàn)光路的偏航姿態(tài)運動。其三軸復合運動是以下擺鏡轉(zhuǎn)臺偏航角度為驅(qū)動定值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)動上擺鏡的姿態(tài)運動,進而使偏航光路得以實現(xiàn)。其數(shù)學模型為

圖4 光學系統(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

復合光路的角度達位精度對整個仿真試驗方案擬訂和結(jié)果評估都是關(guān)鍵因素。項目組利用可見光和自準直儀對偏航復合光路的角度在任意0°到100°范圍內(nèi)的達位精度進行了測試,最終誤差目標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′角度達位精度的要求。

5 結(jié) 論

導彈動態(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

制導空空導彈研制中得到應用。該測試系統(tǒng)為紅外成像制導空空導彈提供了一個比較真實的仿真環(huán)境。通過與同條件下空中靶試試驗的靶試結(jié)果進行對比,對比結(jié)果見圖6。結(jié)果可見,空中靶試試驗與半實物仿真測試結(jié)果差別不大,驗證了動態(tài)抗干擾測試系統(tǒng)的可信度和仿真方法的有效性。

圖6 驗對比結(jié)果Fig.6 Error simulation analysis diagram

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

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

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