機(jī)載布撒武器彈載動態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

王 帥，劉豫東，朱啟文，江 坤

(1南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，南京 210094;2南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210046)

0 引言

機(jī)載布撒武器是各國在總結(jié)海灣戰(zhàn)爭經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，按照低成本、多用途的要求，提出和發(fā)展的一種介于空地導(dǎo)彈和航空子母炸彈之間的新型武器，是一種能在敵防空火力外投放、能攜帶多種子彈藥、高精度、模塊化、全天候的滑翔型空地制導(dǎo)武器[1]。

機(jī)載布撒武器是一種集多種現(xiàn)代高新技術(shù)于一身的復(fù)雜武器系統(tǒng)，子彈藥拋撒機(jī)構(gòu)作為多用途機(jī)載布撒武器系統(tǒng)的一個重要組成部分，子彈藥的拋撒和飛行狀態(tài)直接決定了武器系統(tǒng)最終的毀傷效果。目前在拋撒試驗中主要采用彈體飛行過程中傳感器采集信號傳遞到存儲器保存，試驗后回收存儲設(shè)備再使用專用信號讀出設(shè)備獲取子彈拋撒和飛行數(shù)據(jù)，但由于野外實驗環(huán)境復(fù)雜、存儲器容易損壞和存儲器電量不足等各種原因試驗后無法獲得數(shù)據(jù)。為了更有效的獲得子彈拋撒和飛行過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)，文中根據(jù)某布撒武器拋撒系統(tǒng)的特點和試驗要求，設(shè)計和開發(fā)了彈載動態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計功能完善，方便了試驗數(shù)據(jù)的動態(tài)獲取、實時管理和后期分析。

1 系統(tǒng)功能

針對布撒武器開艙拋撒的工作過程，本系統(tǒng)主要實現(xiàn)了子彈拋撒過程中動態(tài)數(shù)據(jù)的采集、采集動態(tài)數(shù)據(jù)的無線分集實時傳輸、無線管理主機(jī)的遠(yuǎn)程控制和采集與分析軟件對試驗數(shù)據(jù)的處理及分析等功能。

1)子彈動態(tài)數(shù)據(jù)采集功能。通過裝在子彈上的傳感器對開艙拋撒數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的子彈動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

2)動態(tài)數(shù)據(jù)無線分集實時傳輸功能。通過分集無線傳輸技術(shù)接收存儲的子彈動態(tài)數(shù)據(jù)，并將接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

3)無線管理主機(jī)遠(yuǎn)程控制功能。通過無線方式向系統(tǒng)的各個部分發(fā)送命令，管理各部分間的無線數(shù)據(jù)通信，完成對各部分的無線控制。

4)采集與分析軟件對試驗數(shù)據(jù)的處理和分析功能。通過友好的人機(jī)交互界面對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，并實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的整理、分析、處理、存儲和查詢等功能，直觀地將試驗數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶。

2 系統(tǒng)的組成

根據(jù)機(jī)載布撒器開艙拋撒的特點，以及對子彈拋撒動態(tài)數(shù)據(jù)采集和處理分析的要求，設(shè)計了彈載動態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)。整個系統(tǒng)采用有線和無線相結(jié)合的方式將各子模塊緊密的連接起來，實現(xiàn)了各模塊間的協(xié)調(diào)工作和統(tǒng)一管理。本系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，其硬件環(huán)境由中央控制計算機(jī)、信息記錄遠(yuǎn)傳管理主機(jī)、無線節(jié)點中繼器和彈載動態(tài)信息記錄儀等設(shè)備構(gòu)成。采集與分析軟件是以基于Windows系統(tǒng)下的交互式開發(fā)環(huán)境為核心，使用C#進(jìn)行整體開發(fā)。通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的密切配合，實現(xiàn)了設(shè)備控制、實時傳輸和數(shù)據(jù)分析等功能[2]。圖1描述了系統(tǒng)各部分間的數(shù)據(jù)交聯(lián)情況。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交聯(lián)圖

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

彈載動態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)的硬件主要由彈載動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、動態(tài)數(shù)據(jù)無線分集傳輸模塊、彈載信息記錄遠(yuǎn)傳管理主機(jī)和中央控制計算機(jī)等部分組成。各子模塊間并行運(yùn)行，由中央控制計算機(jī)統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了子模塊間的實時數(shù)據(jù)信息傳遞。圖2描述了系統(tǒng)各子模塊間的連接結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)圖

3.1 彈載動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊

彈載動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊由彈載存儲單元、同體天線和傳感器數(shù)據(jù)接口等部分組成。機(jī)載布撒器進(jìn)行拋撒試驗時該模塊裝在子彈內(nèi)部，彈載存儲單元通過同體天線接收無線控制信號和發(fā)送子彈拋撒飛行動態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)接到中央控制計算機(jī)發(fā)布無線測試命令控制信號后開始工作，拋撒過程中自動采集裝在子彈上的傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲，在子彈飛行過程中將數(shù)據(jù)經(jīng)過同體天線進(jìn)行傳輸[3]。

模塊可實現(xiàn)對拋撒過程中子彈動態(tài)數(shù)據(jù)的采集存儲和無線發(fā)送功能[4]。其技術(shù)指標(biāo)如下：1)抗過載能力10000g;2)采樣通道4個;3)采樣分辨率12bits;4)采樣頻率25kSPS;5)存儲容量256kB×16bits;6)無線數(shù)據(jù)傳輸速率120kbps;7)數(shù)據(jù)保持時間15天;8)天線增益優(yōu)于－2dB。

3.2 動態(tài)數(shù)據(jù)無線分集傳輸模塊

動態(tài)數(shù)據(jù)無線分集傳輸模塊由鞭狀天線、無線節(jié)點中繼器和數(shù)據(jù)線等部分組成。機(jī)載布撒器進(jìn)行拋撒試驗時該模塊架設(shè)于地面，無線節(jié)點中繼器通過鞭狀天線向彈載動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送無線控制信號和接收采集到的動態(tài)飛行數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)線傳輸。在進(jìn)行多節(jié)點分集接收數(shù)據(jù)時，可調(diào)節(jié)鞭狀天線的方向，使其方向分布各異，達(dá)到理想的空間分集效果，使無線數(shù)據(jù)的丟包率在1%以下[5]。

模塊可實現(xiàn)對拋撒過程中子彈動態(tài)數(shù)據(jù)的無線接收和傳輸功能。其技術(shù)指標(biāo)如下：1)工作頻率280～900 MHz;2)接收靈敏度－85dBm;3)發(fā)射接收輸出功率10dBm;4)無線數(shù)據(jù)傳輸速率240kbps;5)UTP網(wǎng)絡(luò)線連接。

3.3 彈載信息記錄遠(yuǎn)傳管理主機(jī)

為了加強(qiáng)各模塊間的相互協(xié)作和提高數(shù)據(jù)傳輸速度，系統(tǒng)通過彈載信息記錄遠(yuǎn)傳管理主機(jī)向各模塊發(fā)送控制命令，統(tǒng)一管理各模塊間的數(shù)據(jù)通信，對動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分集接收和綜合處理，實現(xiàn)對各模塊的無線控制和動態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸功能。

3.4 中央控制計算機(jī)

中央控制計算機(jī)上裝有信息采集和分析軟件，用戶試驗時可以清楚了解到各模塊的工作狀態(tài)，通過友好的人機(jī)交互界面實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的統(tǒng)一控制，試驗后可將試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的采集與分析軟件采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，基于Windows系統(tǒng)環(huán)境，采用模塊化設(shè)計思想，使用C#進(jìn)行整體開發(fā)，通過Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。軟件的整體框架劃分為前臺操作處理和后臺傳輸控制，前臺為用戶提供了一個友好的人機(jī)交互界面，用戶可以方便的進(jìn)行硬件配置、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)分析處理，后臺負(fù)責(zé)與硬件的交互，通過串口適配引擎與硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和解析。

4.1 軟件的功能模塊設(shè)計

根據(jù)機(jī)載布撒武器的試驗特點和設(shè)計要求，將采集與分析軟件整體功能進(jìn)行模塊劃分，主要包括主模塊、單元管理模塊、戶外實驗?zāi)K、信息查詢模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和系統(tǒng)管理模塊。主模塊根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)控制整個系統(tǒng)的軟件流程，調(diào)用各功能模塊，控制各個模塊之間的切換，實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能。

在采集與分析軟件的設(shè)計中，為了更好的實現(xiàn)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸，保證其可靠性和完整性，每個功能模塊又分有不同的子模塊，使用線程完成對模塊的各項操作。由于采用了模塊化結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的通用性、可靠性和實用性。根據(jù)系統(tǒng)的各項功能，軟件的設(shè)計方案如圖3所示。以下對各主要功能模塊進(jìn)行說明。

圖3 軟件功能模塊設(shè)計圖

4.1.1 單元管理模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)對彈載動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊的相關(guān)操作，完成對所使用彈載存儲單元名稱、地址、頻率和備注等信息的配置查詢，對采集數(shù)據(jù)所使用傳感器類型、靈敏度、量程、曲線顏色和備注等信息的配置查詢，通過可視化界面實現(xiàn)對彈載存儲單元和傳感器的配置、管理和查詢功能。

4.1.2 戶外實驗?zāi)K

該模塊可針對某次機(jī)載布撒武器拋撒試驗的具體要求和目的，完成試驗前對實驗信息的填寫，查詢和配置連接在無線管理主機(jī)上的節(jié)點，試驗時喚醒彈載存儲單元使其處于工作狀態(tài)，并在試驗過程中實時顯示試驗數(shù)據(jù)。

4.1.3 信息查詢模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)試驗信息的查詢及相關(guān)的處理操作，可根據(jù)所輸入條件查詢相應(yīng)的試驗信息和相關(guān)數(shù)據(jù)，對原始試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和傅里葉變換等操作，還可導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，實現(xiàn)試驗后對數(shù)據(jù)的存儲查詢和分析處理功能。

4.1.4 數(shù)據(jù)操作模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)完成對數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作，包括導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)源到系統(tǒng)中，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份，恢復(fù)備份數(shù)據(jù)到當(dāng)前系統(tǒng)中。

4.1.5 系統(tǒng)管理模塊

該模塊記錄了整個系統(tǒng)的配置和維護(hù)等管理信息，通過查看系統(tǒng)日志可以查詢系統(tǒng)出現(xiàn)的警告信息、錯誤信息和歷史使用記錄等相關(guān)信息。

4.2 軟件的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

在布撒器拋撒試驗時需要將傳感器采集到數(shù)字量轉(zhuǎn)化為被測的物理量，然后將其在各硬件模塊間進(jìn)行傳輸，最后顯示在用戶界面上并進(jìn)行圖形處理。為了更好的完成試驗任務(wù)，設(shè)計了包括控制引擎、數(shù)據(jù)處理引擎、串口適配引擎、圖形引擎和數(shù)據(jù)庫引擎的軟件整體架構(gòu)，來實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理等功能。圖4為軟件的整體技術(shù)架構(gòu)，此圖描述了該軟件開發(fā)過程中所用到的技術(shù)模塊，以及各種技術(shù)模塊之間的銜接。

4.2.1 串口適配引擎

圖4 軟件整體技術(shù)架構(gòu)

串口適配引擎主要由多端口匹配模塊、串口數(shù)據(jù)收發(fā)線程池和協(xié)議適配層組成。引擎通過多端口匹配模塊對連接的各端口進(jìn)行適配，通過協(xié)議適配層定義的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對當(dāng)前連接的動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊和系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析適配，利用串口收發(fā)線程池對數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，并通知界面線程進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和保存。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理引擎

數(shù)據(jù)處理引擎通過采用線程池技術(shù)對線程進(jìn)行管理，為每個進(jìn)程提供了一個線程池，一個線程池有若干個等待數(shù)據(jù)操作狀態(tài)，當(dāng)一個等待操作完成時，線程池中的輔助線程會執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，從而提高了整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的工作效率，實現(xiàn)了動態(tài)數(shù)據(jù)的實時傳輸。

4.2.3 數(shù)據(jù)庫引擎

數(shù)據(jù)庫引擎主要由異構(gòu)數(shù)據(jù)庫適配模塊、批量數(shù)據(jù)處理模塊和事務(wù)處理模塊組成，通過引擎實現(xiàn)各模塊間的協(xié)調(diào)工作，完成數(shù)據(jù)的批處理和快速存儲。

4.2.4 圖形引擎

為了實現(xiàn)試驗過程中子彈動態(tài)數(shù)據(jù)的實時顯示，同時保證圖形的完整性，設(shè)計了動態(tài)圖形繪制模塊和圖形實時補(bǔ)點模塊，使用戶可以實時的觀測到子彈的狀態(tài)，并處理動態(tài)數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的丟失情況。試驗后，為了更好的處理和分析數(shù)據(jù)圖形曲線，設(shè)計了圖形處理模塊和圖形分析模塊，使用戶可以方便的對數(shù)據(jù)圖形曲線進(jìn)行放大縮小、截屏分屏對比、濾波和傅里葉變換等操作。

5 試驗驗證

彈載動態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)已經(jīng)在某機(jī)載布撒武器的拋撒試驗中進(jìn)行應(yīng)用，試驗時子彈內(nèi)安裝有兩個加速度傳感器，分別接在彈載存儲單元的1和4傳感器通道上，試驗過程中系統(tǒng)成功的采集到了子彈的拋撒過載數(shù)據(jù)，試驗后經(jīng)過濾波等分析處理得到了滿意的過載曲線。圖5、圖6為試驗時測得的過載曲線和濾波處理后過載曲線。

圖5 試驗實測過載曲線

圖6 濾波處理后過載曲線

6 結(jié)論

在機(jī)載布撒武器系統(tǒng)的總體設(shè)計中，子彈藥拋撒機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系到整個武器系統(tǒng)的總體性能，直接決定了武器系統(tǒng)最終的作戰(zhàn)威力，在機(jī)載布撒武器研制中至關(guān)重要。以前對子彈藥拋撒過程中的數(shù)據(jù)獲取主要采用試驗完成后回收數(shù)據(jù)采集裝置方式，試驗過程繁瑣、復(fù)雜且受環(huán)境影響大，往往由于各種原因無法有效地獲取試驗數(shù)據(jù)，大大影響試驗的效果。文中根據(jù)布撒武器拋撒試驗的測試需求，設(shè)計實現(xiàn)了彈載動態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)。采集系統(tǒng)利用無線分集技術(shù)為拋撒試驗提供有效的動態(tài)數(shù)據(jù)分集采集和傳輸手段，分析系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時顯示、存儲和分析處理等功能，方便了對試驗數(shù)據(jù)的獲取、管理和后期分析。

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