魚雷武器控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孔德永

(湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 電子工程系，武漢 430205)

仿真技術(shù)(包括數(shù)學(xué)仿真和半實(shí)物仿真)在武器系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛和成熟。對(duì)于魚雷武器的控制系統(tǒng)來說，數(shù)學(xué)仿真可以從理論上驗(yàn)證控制系統(tǒng)在各種干擾條件下的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和魯棒性，揭示各種干擾因素對(duì)控制系統(tǒng)的影響;而半實(shí)物仿真則將真實(shí)設(shè)備作為參試單元，充分模擬和考核控制系統(tǒng)在真實(shí)狀態(tài)下的工作性能、工作流程以及可靠性，二者相輔相成，共同完成控制系統(tǒng)的地面試驗(yàn)。通過充分、充足的地面試驗(yàn)，可為控制系統(tǒng)的成功研制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［1］。

魚雷控制系統(tǒng)主要具有3 個(gè)基本方面的功能:①控制魚雷穩(wěn)定航行，即按程序彈道完成魚雷的穩(wěn)定控制;②與自導(dǎo)裝置組成制導(dǎo)回路，完成魚雷對(duì)目標(biāo)的搜索及跟蹤;③對(duì)于線導(dǎo)魚雷來說，還可與線導(dǎo)系統(tǒng)組成線導(dǎo)導(dǎo)引大回路，由艇上發(fā)控臺(tái)完成對(duì)魚雷的線導(dǎo)導(dǎo)引。其作戰(zhàn)流程如圖1 所示，主要功能概述如下［2-3］。

1)射前準(zhǔn)備。系統(tǒng)上電后，自動(dòng)開始自檢、接收艇型管號(hào)信息，向發(fā)射艇回復(fù)、接收艇上的導(dǎo)航參數(shù)并完成雷上慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)。若對(duì)準(zhǔn)工作正常，在上電后xx 時(shí)間內(nèi)，向發(fā)射艇回復(fù)“慣導(dǎo)調(diào)平正常”信息;

2)接收、存儲(chǔ)由發(fā)射艇通過預(yù)設(shè)定電纜發(fā)送的預(yù)設(shè)定信息，并回送給發(fā)射艇，完成預(yù)設(shè)定功能;

3)完成雷內(nèi)各子系統(tǒng)的自檢，并將自檢結(jié)果回送給發(fā)射艇;

4)在魚雷發(fā)射前協(xié)調(diào)并控制雷內(nèi)各子系統(tǒng)的動(dòng)作;

5)魚雷發(fā)射后控制魚雷安全脫離發(fā)射平臺(tái)、進(jìn)行初始機(jī)動(dòng)以保證雷艇安全分離;

6)魚雷航行過程中保證魚雷在3 個(gè)通道上穩(wěn)定獨(dú)立地工作，縱仰通道具有定深控制及俯仰角控制功能，偏航通道具有偏航角控制及偏航角速率控制功能，滾動(dòng)通道具有自穩(wěn)定功能;

7)對(duì)于線導(dǎo)魚雷來說，具有按線導(dǎo)遙控指令改變魚雷航向角及改變航行深度的能力;

8)自導(dǎo)系統(tǒng)開機(jī)前，允許發(fā)射艇通過遙控指令進(jìn)行自導(dǎo)反潛反艦通道的切換;

9)在自導(dǎo)搜索和線導(dǎo)導(dǎo)引段，控制魚雷運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)角及航行深度，保證魚雷彈道快速平穩(wěn)以及安全航行;

10)自導(dǎo)導(dǎo)引過程中，接收自導(dǎo)系統(tǒng)給出的目標(biāo)信息，按照反潛算法或反艦算法控制自導(dǎo)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，操縱魚雷運(yùn)動(dòng)完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤彈道;

11)控制觸發(fā)引信及非觸發(fā)引信的工作狀況及保險(xiǎn)解除;

12)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻及速制改變;

13)解算魚雷運(yùn)動(dòng)過程中的雷位信息及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，分別送給線導(dǎo)系統(tǒng)及內(nèi)測(cè)系統(tǒng);

14)具有安全保護(hù)算法，保證在初始機(jī)動(dòng)及自導(dǎo)導(dǎo)引過程中發(fā)射艇的安全;

15)對(duì)操雷來說，具有反潛靶前規(guī)避、過靶停車及反艦規(guī)避功能。

1 仿真系統(tǒng)組成

根據(jù)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的組成和功能，設(shè)計(jì)如圖2 所示的魚雷控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括發(fā)射平臺(tái)模塊、目標(biāo)模塊、自導(dǎo)系統(tǒng)模塊和魚雷控制系統(tǒng)模塊，這4 個(gè)模塊分別與魚雷控制系統(tǒng)工作環(huán)境中的各實(shí)體相對(duì)應(yīng)，并完成實(shí)體所具備的功能。此外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真服務(wù)器模塊，作為系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)其余各模塊進(jìn)行管理和控制，并在系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)協(xié)調(diào)各模塊之間的動(dòng)作，從而完成系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的功能。

1)仿真服務(wù)器模塊，主要按照預(yù)先制定的作戰(zhàn)想定完成半實(shí)物仿真系統(tǒng)的初始化，在仿真過程中作為白方，負(fù)責(zé)顯示整個(gè)仿真過程，并在仿真結(jié)束后對(duì)整個(gè)作戰(zhàn)過程進(jìn)行作戰(zhàn)效能評(píng)估。

2)發(fā)射平臺(tái)模塊，接收仿真服務(wù)器設(shè)定的發(fā)射平臺(tái)初始運(yùn)動(dòng)信息，并根據(jù)目標(biāo)與自身相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行自身彈道解算，模擬發(fā)射平臺(tái)對(duì)目標(biāo)的攻擊過程，在確定發(fā)射魚雷時(shí)模擬完成魚雷武器的射前準(zhǔn)備過程(包括對(duì)魚雷上電、自檢、發(fā)送艇型管號(hào)信息、發(fā)送慣導(dǎo)調(diào)平參數(shù)、發(fā)送及檢查預(yù)設(shè)定參數(shù)信息)，發(fā)射線導(dǎo)魚雷后模擬線導(dǎo)導(dǎo)引功能(和魚雷進(jìn)行遙控遙測(cè)信息交換)，在接收到魚雷爆炸信息后根據(jù)爆炸點(diǎn)距離自身位置、爆炸威力進(jìn)行自身毀傷計(jì)算，并發(fā)布自身狀態(tài)信息(完好、部分毀傷、毀傷)。

3)目標(biāo)模塊，接收仿真服務(wù)器設(shè)定的目標(biāo)初始化信息后進(jìn)行自身彈道解算，模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)過程。仿真過程中考慮簡單的情況，即目標(biāo)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，不考慮目標(biāo)的機(jī)動(dòng)和規(guī)避。在接收到魚雷爆炸信息后根據(jù)爆炸點(diǎn)距離自身位置、爆炸威力進(jìn)行自身毀傷計(jì)算，并發(fā)布自身狀態(tài)信息(完好、部分毀傷、毀傷)。

圖1 魚雷武器作戰(zhàn)流程

圖2 魚雷控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成

4)魚雷控制系統(tǒng)模塊，主要負(fù)責(zé)對(duì)魚雷的作戰(zhàn)過程進(jìn)行模擬，包括魚雷武器的射前準(zhǔn)備過程模擬和魚雷發(fā)射出管后的彈道仿真。與發(fā)射平臺(tái)的射前準(zhǔn)備相對(duì)應(yīng)，控制系統(tǒng)的射前準(zhǔn)備模擬也包括上電、自檢、艇型管號(hào)信息、慣導(dǎo)調(diào)平、預(yù)設(shè)定等過程，對(duì)于線導(dǎo)魚雷來說還包括線導(dǎo)自檢。出管后的彈道仿真包括:初始機(jī)動(dòng)彈道、線導(dǎo)導(dǎo)引彈道(對(duì)于線導(dǎo)雷來說)、直航彈道、聲自導(dǎo)搜索彈道、聲自導(dǎo)跟蹤彈道、尾流自導(dǎo)導(dǎo)引彈道等的仿真。

5)自導(dǎo)系統(tǒng)模塊，負(fù)責(zé)在彈道仿真時(shí)對(duì)魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，即模擬魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)將探測(cè)到的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息傳遞給魚雷控制系統(tǒng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 時(shí)空一致性

在半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，時(shí)空一致性一直是其難點(diǎn)和重點(diǎn)。為了保證空間的一致性，要求目標(biāo)、發(fā)射平臺(tái)、魚雷在對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，發(fā)布自身信息時(shí)位置參數(shù)一律統(tǒng)一到地理(導(dǎo)航)坐標(biāo)系(東北天)中，在仿真服務(wù)器進(jìn)行初始化設(shè)置時(shí)也采用地理坐標(biāo)系，在仿真進(jìn)行中，仿真成員在接收到其他仿真成員參數(shù)時(shí)首先將數(shù)據(jù)從地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到自身所使用的坐標(biāo)系再進(jìn)行使用。另外系統(tǒng)的仿真時(shí)間(相對(duì)時(shí)間)由服務(wù)器統(tǒng)一控制，這樣就保證了系統(tǒng)在半實(shí)物仿真時(shí)的時(shí)空一致性［4］。

2.2 實(shí)時(shí)性保障

實(shí)時(shí)控制是半實(shí)物仿真系統(tǒng)的基本要求。從實(shí)際仿真的時(shí)間分析來看，目前計(jì)算機(jī)的處理能力對(duì)于數(shù)據(jù)運(yùn)算完全可以達(dá)到實(shí)時(shí)性仿真的要求。對(duì)于魚雷控制系統(tǒng)的仿真來說，慣導(dǎo)組件、控制系統(tǒng)通訊對(duì)時(shí)間間隔要求比較嚴(yán)格，例如，慣導(dǎo)調(diào)平數(shù)據(jù)為2 幀/秒，線導(dǎo)通訊為0.5 幀/秒，因此定時(shí)和時(shí)間的精確控制是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真的關(guān)鍵因素。與半實(shí)物仿真關(guān)系密切的時(shí)間是從仿真開始時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間間隔，屬于相對(duì)時(shí)間(即邏輯時(shí)間)。

為了保證魚雷控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采取了如下的措施。

1)魚雷運(yùn)動(dòng)模型的解算程序運(yùn)行在VxWorks 環(huán)境下，采用單任務(wù)單進(jìn)程“獨(dú)占”的工作模式，以減少由于系統(tǒng)調(diào)度和操作系統(tǒng)帶來的額外開銷，盡管Windows 系統(tǒng)在處理人機(jī)交互和管理功能方面顯示了較強(qiáng)的能力，但由此帶來的開銷也是比較大的，內(nèi)核的運(yùn)行需要數(shù)十兆到幾百兆的內(nèi)存，而且將用戶限制在第3 層上，使得用戶對(duì)硬件的訪問必須經(jīng)過用戶接口函數(shù)(application programming interface，API)進(jìn)行，這就限制了他在實(shí)時(shí)仿真方面的應(yīng)用。在很多工業(yè)控制上，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MS-DOS 和VxWorks 得到了廣泛的應(yīng)用。用于對(duì)發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行模擬的計(jì)算機(jī)由于涉及到很多的狀態(tài)監(jiān)控，其操作系統(tǒng)為VxWorks。發(fā)射平臺(tái)模塊程序由于在射前準(zhǔn)備和線導(dǎo)遙控遙測(cè)過程中，需要周期性地和魚雷控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此其實(shí)時(shí)性也必須得到保證。

2)發(fā)射平臺(tái)模塊程序和魚雷動(dòng)力學(xué)模型的解算程序都是通過對(duì)8259 芯片編寫中斷程序［5］，直接訪問PC 機(jī)專用的16 位時(shí)鐘計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的，其時(shí)間計(jì)數(shù)周期達(dá)到0.838 μs。在定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的等待里，采用循環(huán)查詢的方式計(jì)算兩次仿真任務(wù)之間的時(shí)間。實(shí)踐表明:采用計(jì)時(shí)方式可以滿足實(shí)時(shí)仿真的要求，在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的過程中沒有出現(xiàn)錯(cuò)幀和丟幀的現(xiàn)象，半實(shí)物仿真時(shí)間和數(shù)學(xué)仿真時(shí)間差別在1 ～2 個(gè)周期之內(nèi)。在半實(shí)物仿真中一些系統(tǒng)延遲是不可避免的，例如控制系統(tǒng)從接收到數(shù)據(jù)到輸出到舵機(jī)，所采集到的舵信號(hào)之間有1 ～2 周期的延遲，這是系統(tǒng)硬件電氣連接所決定的。另外數(shù)學(xué)仿真過程中沒有把初始化過程以及讀取數(shù)據(jù)文件所花費(fèi)的時(shí)間計(jì)算在內(nèi)，考慮到這些因素，數(shù)學(xué)仿真和半實(shí)物仿真相差一定時(shí)間是可以接受的。

3)盡量減小數(shù)據(jù)傳輸延遲開銷，減小各種電氣信號(hào)連接線的長度以及一些額外開銷，由于訪問外設(shè)速度花費(fèi)比訪問內(nèi)存和緩存的時(shí)間多，故可減少程序訪問硬盤的次數(shù)，減少試驗(yàn)保存的數(shù)據(jù)量，以二進(jìn)制數(shù)據(jù)塊的形式讀取文件以及采用讀緩沖、寫緩沖等機(jī)制。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)圖2 中系統(tǒng)各部分的功能，在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建了如圖3 所示的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)為硬件平臺(tái)，參加半實(shí)物仿真的設(shè)備包括三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(含相應(yīng)的上位機(jī)、下位機(jī)、控制柜、電源柜)、魚-X 魚雷控制段、舵機(jī)負(fù)載模擬器、程控壓力裝置等。

圖3 中，服務(wù)器計(jì)算機(jī)為1 臺(tái)工控機(jī)，完成目標(biāo)模塊、發(fā)射平臺(tái)模塊和仿真服務(wù)器模塊的功能，他與魚-X 魚雷控制段有2 種通訊方式，實(shí)線標(biāo)明的RS-232 接魚雷控制段的預(yù)設(shè)定電纜，主要用于發(fā)射平臺(tái)完成魚雷武器射前準(zhǔn)備的各種通訊;虛線的RS-232 接魚雷的線導(dǎo)電子組件(對(duì)于線導(dǎo)魚雷來說)，主要用于完成發(fā)射平臺(tái)與魚雷武器在魚雷出管后的遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，另外通過網(wǎng)絡(luò)接收仿真機(jī)傳來的魚雷運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并將目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳遞給仿真計(jì)算機(jī)。仿真計(jì)算機(jī)為一臺(tái)研華工控機(jī)，主要完成魚-X 魚雷6 自由度彈道解算，采用網(wǎng)絡(luò)通訊與服務(wù)器、轉(zhuǎn)臺(tái)控制下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)接收目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)加上干擾后作為自導(dǎo)的測(cè)量結(jié)果通過RS-485 傳遞給魚雷控制系統(tǒng)，并通過另一個(gè)RS-485 串口將航行深度數(shù)據(jù)輸出到程控壓力裝置，該裝置的壓力信息被控制段的壓力傳感器所敏感測(cè)量。仿真計(jì)算機(jī)通過研華公司的PCI -1712L 數(shù)據(jù)采集卡(外接PCLD -8712 通用端子板)采集舵機(jī)負(fù)載模擬器的舵偏角(A/D)。下面對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的主要組成硬件進(jìn)行詳細(xì)說明。

在實(shí)驗(yàn)室條件下為了節(jié)約成本，在服務(wù)器計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)模塊、發(fā)射平臺(tái)模塊、仿真服務(wù)器模塊三大模塊的功能。為了保障實(shí)時(shí)性，對(duì)目標(biāo)彈道解算、發(fā)射平臺(tái)解算、服務(wù)器(主要是態(tài)勢(shì)顯示)的計(jì)算量進(jìn)行了試驗(yàn)，運(yùn)行了10 000幀的結(jié)果表明:目標(biāo)彈道每幀的計(jì)算時(shí)間為0.023 ms，發(fā)射平臺(tái)的解算時(shí)間為0.035 ms，最耗時(shí)的是態(tài)勢(shì)顯示，其時(shí)間為2.49 ms。人眼所能辨識(shí)的顯示變化為不超過24 幀/秒，所以并不是每1 次的仿真計(jì)算都需要對(duì)態(tài)勢(shì)顯示進(jìn)行更新。為了減少通訊量和態(tài)勢(shì)顯示的時(shí)間，仿真中規(guī)定:魚雷六自由度動(dòng)力學(xué)仿真(仿真機(jī)上運(yùn)行的)周期為1 ms，而態(tài)勢(shì)顯示等更新周期定為100 ms，輸出給轉(zhuǎn)臺(tái)控制的周期也為100 ms。

服務(wù)器與魚-X 魚雷控制段的連接有2 個(gè)通路:實(shí)線標(biāo)明的RS-232 模擬預(yù)設(shè)定電纜連接，主要是模擬發(fā)射平臺(tái)與魚雷控制系統(tǒng)完成魚雷射前準(zhǔn)備的工作;虛線標(biāo)明的RS -232 模擬線導(dǎo)導(dǎo)引功能。另外他通過網(wǎng)絡(luò)與仿真計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

仿真計(jì)算機(jī)主要是完成魚雷出管后的彈道解算，通過PCI-1712 數(shù)據(jù)采集卡采集舵機(jī)負(fù)載模擬器的角度，根據(jù)魚雷的動(dòng)力學(xué)仿真模型，解算出魚雷下一時(shí)刻的位置、速度、姿態(tài)角、航行深度等，然后通過網(wǎng)絡(luò)控制下位機(jī)使轉(zhuǎn)臺(tái)的3 個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的角度，這些角度被安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的控制段慣導(dǎo)組件敏感得到，作為控制系統(tǒng)的輸入。同時(shí)他將魚雷的航行深度通過RS-485 輸出到程控壓力裝置，程控壓力裝置的壓力信息被魚雷的深度傳感器(包括深水壓力傳感器、淺水壓力傳感器)所敏感作為控制系統(tǒng)的航深數(shù)據(jù)。

4 仿真結(jié)果

根據(jù)上述系統(tǒng)仿真試驗(yàn)的過程，進(jìn)行了某型魚雷彈道的半實(shí)物仿真試驗(yàn)，其中魚雷的自導(dǎo)方式設(shè)置為線導(dǎo)+尾流自導(dǎo)方式，目標(biāo)為水面目標(biāo)。其仿真彈道曲線如圖4 ～圖6所示。

圖3 魚雷控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖6 魚雷水平面彈道半實(shí)物仿真曲線

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析可知，對(duì)于作勻速直線運(yùn)動(dòng)的水面艦船，魚雷在發(fā)射出管后能夠搜索到目標(biāo)尾流，不斷地進(jìn)出目標(biāo)尾流并接近目標(biāo)，最后命中目標(biāo)。半實(shí)物仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)能夠完成魚雷武器控制系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)，各項(xiàng)功能指標(biāo)均達(dá)到和滿足魚雷控制系統(tǒng)的要求。

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