半實(shí)物仿真三軸轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)方法研究

黎安兵 郭頌

摘 要：本文以半實(shí)物仿真系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)研究其工作原理，研究實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)的角位置參數(shù)、角速率參數(shù)校準(zhǔn)，以及目標(biāo)信號(hào)模擬器的位置參數(shù)的校準(zhǔn)方法，并開(kāi)發(fā)基于VC++軟件平臺(tái)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)軟件，采用無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的自動(dòng)化校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)臺(tái);角位置;角速率;目標(biāo)信號(hào)模擬器

中圖分類號(hào)：TJ765 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0062-02

0 引言

半實(shí)物仿真系統(tǒng)，通常置于仿真微波暗室內(nèi)。它用于真實(shí)地模擬導(dǎo)彈實(shí)際飛行時(shí)的各種姿態(tài)，復(fù)現(xiàn)其動(dòng)力學(xué)特征，考核其制導(dǎo)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的性能，是在導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)之前用來(lái)驗(yàn)證導(dǎo)彈導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)方案的正確性和考核飛行軟件合理性的關(guān)鍵技術(shù)手段之一，由仿真計(jì)算機(jī)建立真實(shí)的飛行過(guò)程環(huán)境，在試驗(yàn)室環(huán)境條件下模擬導(dǎo)彈的飛行過(guò)程，這種試驗(yàn)方法是全面考核導(dǎo)彈導(dǎo)引頭性能指標(biāo)的一項(xiàng)十分重要的大型試驗(yàn)。

正是由于半實(shí)物仿真試驗(yàn)避開(kāi)了全數(shù)學(xué)仿真的復(fù)雜性和不準(zhǔn)確性，提高了仿真的精度和結(jié)果的可靠性，同時(shí)具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)性和重復(fù)使用等特點(diǎn)。國(guó)外已發(fā)展成熟并得到了較好應(yīng)用，做得較好的有美國(guó)的陸軍高級(jí)仿真中心、英國(guó)的BAE試驗(yàn)室等，都可完成多種型號(hào)導(dǎo)彈的仿真，這些試驗(yàn)室的建立大大推進(jìn)了導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的研制，減低了試驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)，在導(dǎo)彈研制中起著越來(lái)越重要的作用。

綜上所述，開(kāi)展半實(shí)物仿真系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)研究，研建半實(shí)物仿真系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置，解決半實(shí)物仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、量值統(tǒng)一問(wèn)題，對(duì)有效保障產(chǎn)品科研生產(chǎn)和全壽命周期可靠性，有著非常重要而迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)的工作原理

半實(shí)物仿真系統(tǒng)，主要由三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和目標(biāo)信號(hào)模擬器（目標(biāo)模擬陣列）組成，如圖1所示，通常置于仿真微波暗室內(nèi)。它用于真實(shí)地模擬導(dǎo)彈實(shí)際飛行時(shí)的各種姿態(tài)，復(fù)現(xiàn)其動(dòng)力學(xué)特征，考核其制導(dǎo)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的性能，是在導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)之前用來(lái)驗(yàn)證導(dǎo)彈導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)方案的正確性和考核飛行軟件合理性的關(guān)鍵技術(shù)手段之一，試驗(yàn)時(shí)將導(dǎo)彈導(dǎo)引頭以實(shí)物的形式安放在導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心（如圖1所示），由仿真計(jì)算機(jī)建立真實(shí)的飛行過(guò)程環(huán)境，在試驗(yàn)室環(huán)境條件下模擬導(dǎo)彈的飛行過(guò)程，這種試驗(yàn)方法是全面考核導(dǎo)彈導(dǎo)引頭性能指標(biāo)的一項(xiàng)十分重要的大型試驗(yàn)。

半實(shí)物仿真系統(tǒng)的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)用來(lái)模擬導(dǎo)彈實(shí)際飛行過(guò)程中的俯仰、偏轉(zhuǎn)和滾動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，考核導(dǎo)引頭的測(cè)量系統(tǒng);目標(biāo)模擬陣列用來(lái)考核導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤性能。

2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

本文以半實(shí)物仿真系統(tǒng)為研究對(duì)象。校準(zhǔn)裝置主要由三部分組成：

（1）仿真系統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)角位置參數(shù)（靜態(tài)參數(shù)）校準(zhǔn)：擬采用新添置的自準(zhǔn)直儀和原有的23面棱體，配備相應(yīng)的測(cè)試夾具組成仿真系統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)角位置參數(shù)校準(zhǔn)系統(tǒng)。（2）仿真系統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)角速率參數(shù)（動(dòng)態(tài)參數(shù)）校準(zhǔn)：擬采用新研制的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)角運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，配備相應(yīng)的工裝組成轉(zhuǎn)臺(tái)角速率參數(shù)校準(zhǔn)系統(tǒng)。（3）目標(biāo)信號(hào)模擬器（目標(biāo)模擬陣列）位置參數(shù)的校準(zhǔn)：采用全站儀，配備相應(yīng)的工裝組成目標(biāo)信號(hào)模擬器位置參數(shù)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

2.1 仿真系統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)角位置參數(shù)的校準(zhǔn)方法

仿真系統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)角位置參數(shù)校準(zhǔn)裝置由23面棱體、分辨率為0.1″光電自準(zhǔn)直儀和相應(yīng)的測(cè)試夾具組成。

在校準(zhǔn)過(guò)程中，首先將自準(zhǔn)直儀對(duì)準(zhǔn)23面棱體的第1面，記錄自準(zhǔn)直儀的讀數(shù)，然后根據(jù)23面棱體的角度，被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，記錄自準(zhǔn)直儀讀數(shù)，重復(fù)上述操作，直至檢測(cè)到棱體的第23面;過(guò)行程操作后，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)，記錄相應(yīng)的自準(zhǔn)直儀讀數(shù)，最后通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到仿真系統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)角位置參數(shù)的誤差值。

2.2 仿真系統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)角速率參數(shù)的校準(zhǔn)方法

高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)角速率校準(zhǔn)裝置是整套系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置的核心，它通過(guò)工裝安裝到半實(shí)物仿真系統(tǒng)平臺(tái)上，與仿真系統(tǒng)隨動(dòng)，當(dāng)仿真系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)基電路立即開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)測(cè)角裝置記錄角速率校準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，通過(guò)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)記錄和分析數(shù)據(jù)，得到角速率參數(shù)指標(biāo)，與仿真系統(tǒng)輸入的角速率參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)半實(shí)物仿真平臺(tái)角速率參數(shù)的校準(zhǔn)。仿真系統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)角速率參數(shù)校準(zhǔn)裝置主要由測(cè)角裝置、時(shí)基電路、校準(zhǔn)工裝、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等部分組成。

測(cè)角裝置是角速率參數(shù)校準(zhǔn)的關(guān)鍵，它的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)對(duì)整套校準(zhǔn)裝置的有著直接的影響。測(cè)角裝置主要由三部分組成，一是圓光柵;二是細(xì)分盒;三是計(jì)數(shù)接口。細(xì)分盒的作用是將光電編碼器輸出的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)細(xì)分，然后轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)輸出。轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖2所示。

考慮到三軸轉(zhuǎn)臺(tái)仿真系統(tǒng)的速率范圍寬，分辨率高，故選擇一個(gè)刻線數(shù)高的光柵，通過(guò)更換細(xì)分盒來(lái)滿足系統(tǒng)不同量程的測(cè)試要求。

2.3 目標(biāo)信號(hào)模擬器（目標(biāo)模擬陣列）位置參數(shù)的校準(zhǔn)方法

目標(biāo)模擬陣列及陣列饋電系統(tǒng)又稱陣列系統(tǒng)，是地空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真系統(tǒng)的重要組成部分。陣列式目標(biāo)仿真系統(tǒng)采用電路控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)空間角度運(yùn)動(dòng)的仿真，目標(biāo)模擬信號(hào)是以陣列上相鄰的三個(gè)單元輻射的合成信號(hào)來(lái)表示，相應(yīng)的三個(gè)單元按照等邊三角形排列，構(gòu)成一個(gè)子陣列，稱為三元組。三元組的輻射信號(hào)，通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)矩陣的控制，使目標(biāo)模擬信號(hào)由一個(gè)三元組轉(zhuǎn)移到另一個(gè)三元組，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的粗位控制;三元組內(nèi)三個(gè)單元的輻射信號(hào)，分別通過(guò)程控衰減器及移相器，來(lái)改變它們之間的相對(duì)幅度及相位，從而控制目標(biāo)模擬信號(hào)在三元組內(nèi)的精確位置。其原理圖如圖3所示。

由于目標(biāo)模擬陣面是建立在離仿真平臺(tái)較大距離和空間的位置，屬于空間大尺寸測(cè)量，本文采用全站儀作為主標(biāo)準(zhǔn)器，配以必要的工裝和配套儀器設(shè)備或者采用陣列標(biāo)定與校準(zhǔn)軟件，開(kāi)展校準(zhǔn)方法的研究，編制校準(zhǔn)軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)陣列的校準(zhǔn)。通過(guò)全站儀采集三元組中三個(gè)喇叭天線的位置及角度，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，得到目標(biāo)信號(hào)模擬器喇叭天線的角度值，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)模擬器的校準(zhǔn)。

2.4 半實(shí)物仿真系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)軟件

基于VC++軟件平臺(tái)的頭半實(shí)物仿真系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)軟件。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的特點(diǎn)，研發(fā)實(shí)用簡(jiǎn)便的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)軟件。校準(zhǔn)軟件通過(guò)無(wú)線通訊模塊將圓光柵的位置和時(shí)基電路的數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)，通過(guò)校準(zhǔn)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

通過(guò)無(wú)線通訊模塊，避免測(cè)試線在測(cè)試時(shí)纏繞在被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)上，避免高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)測(cè)試線的損傷;校準(zhǔn)軟件可對(duì)半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行角位置分析和角速率分析;具有限位報(bào)警功能，避免對(duì)校準(zhǔn)裝置硬件造成損傷。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以半實(shí)物仿真系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)的角位置參數(shù)、角速率參數(shù)校準(zhǔn)，以及目標(biāo)信號(hào)模擬器的位置參數(shù)的校準(zhǔn)方法，并開(kāi)發(fā)基于VC++軟件平臺(tái)的頭半實(shí)物仿真系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)軟件，采用無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的自動(dòng)化校準(zhǔn)。

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