靶彈飛行安全控制器設(shè)計

葉厚良，諶國森，張 明

（中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001）

0 引言

在組織艦載防空武器系統(tǒng)試驗時，需要為其提供能逼真模擬敵方來襲反艦導(dǎo)彈的靶彈，以檢驗艦載防空武器系統(tǒng)的反導(dǎo)能力。靶彈通常由接近退役的反艦導(dǎo)彈改裝而成，其飛行控制的可靠性出現(xiàn)不同程度下降，參試時有一定風(fēng)險。隨著反艦導(dǎo)彈向大射程、高速度、低空掠海飛行、大入射角俯沖等方向發(fā)展，靶彈暴露的安全問題日益突出。因此，在地面技術(shù)準(zhǔn)備過程中，需對靶彈進行反復(fù)的嚴(yán)格技術(shù)檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)并處理存在的安全隱患和故障，確保靶彈性能可靠。但地面技術(shù)準(zhǔn)備再充分，靶彈在供靶飛行過程中仍可能發(fā)生無法控制的情況［1］。一旦靶彈在飛行過程中出現(xiàn)故障或未被成功攔截，可能會誤中參試艦船，威脅參試人員安全。尤其在組織小航捷試驗時，靶彈的射向與參試艦艇的距離很近，該類事故發(fā)生的概率很高。同時，試驗航區(qū)周邊海域布滿了重要的工業(yè)目標(biāo)和民用設(shè)施，為保護這些目標(biāo)，需預(yù)先劃定導(dǎo)彈飛行航區(qū)，將試驗區(qū)域限制在一定范圍［2］。若靶彈飛行失控，飛出并墜毀到試驗航區(qū)外，則會造成不可估量的損失。安全控制成為靶彈供靶飛行首要解決和保障的問題。

在以往的試驗組織過程中，為確保供靶安全，常在靶彈上加裝被動安控設(shè)備，用彈上遙測系統(tǒng)實時回傳的靶彈位置等狀態(tài)信息，由地面判斷靶彈飛行是否正常［3］。如判斷靶彈位置靠近參試艦船，通過遙測系統(tǒng)向靶彈發(fā)出規(guī)避爬高命令，由靶彈飛行控制系統(tǒng)控制靶彈爬高飛行，規(guī)避參試艦船；如判斷靶彈飛出試驗航區(qū)，通過遙測系統(tǒng)向靶彈發(fā)出安全自毀控制命令，由靶彈飛行控制系統(tǒng)控制靶彈入水，完成自毀操作。這種安控策略的不足有：需在彈上加裝遙測信號發(fā)射系統(tǒng)，地面配置遙測接收和控制裝置，同時配備地面分析和決策系統(tǒng)，設(shè)備造價昂貴、硬件成本高；采用人工判斷決策，對安控指揮人員的能力水平和實踐經(jīng)驗要求較高；靶彈飛行控制系統(tǒng)的可靠性不能得到完全保證。美國等在組織靶彈供靶試驗時，一般在彈上加裝獨立于靶彈飛行控制系統(tǒng)的靶彈自主安控設(shè)備，通過GPS系統(tǒng)實時定位靶彈的位置信息，靶彈自主安控設(shè)備根據(jù)GPS等數(shù)據(jù)實時分析判斷靶彈狀態(tài)，從而完成靶彈的規(guī)避和自毀控制操作，該法簡單易行，可靠性高［4］。采用這種安控策略，面臨的一個問題是GPS信息易受外部信號干擾。為提高靶彈供靶可靠性，確保試驗安全，本文對一種基于GPS接收機、獨立于靶彈飛行控制系統(tǒng)的靶彈安控器設(shè)計進行了研究。

1 安控器組成與功能模塊設(shè)計

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、開放性原則，設(shè)計了基于PC104的靶彈安控器。其硬件平臺主要包括主控計算機、多功能信號采集器、信號調(diào)理電路、電源模塊、GPS接收機及天線、數(shù)傳電臺等部分。系統(tǒng)功能模塊主要由程序裝訂、數(shù)據(jù)裝訂、與GPS接收機數(shù)據(jù)通信、安控地面仿真測試、與靶彈控制系統(tǒng)通信、彈上設(shè)備信息采集下傳等組成。

1.1硬件組成

硬件系統(tǒng)的組成和信號傳遞如圖1所示。

圖1 靶彈安控器硬件組成Fig.1 Structure of the target missile safe controller

1.1.1 主控計算機

采用PC104，選用深圳盛博公司SCM－6241B，屬于工業(yè)級寬溫產(chǎn)品，CPU為80486，主頻為100MHz，16M在板RAM，串口6個，并口1個，16M電子磁盤。主控計算機可根據(jù)靶彈工作時序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)硬件平臺的配置管理和數(shù)據(jù)解算等功能。

1.1.2 多功能采集器

采用盛博公司的ADT652信號采集卡，有16單端／8差分輸入，12位分辨率，A／D采樣率最大為100kHz，24路I／O，82C54可編程定時器。采集板卡為全系列通用訪問模式，極大提高了板卡應(yīng)用靈活性和便利性，具較強的板卡擴展及軟件支持功能。

1.1.3 信號調(diào)理電路

根據(jù)靶彈上的信號采集要求和工作時序自行設(shè)計，是硬件平臺的關(guān)鍵模塊，包括電壓轉(zhuǎn)換、光電隔離（開關(guān)量）和信號驅(qū)動三部分，以滿足A／D轉(zhuǎn)換和開關(guān)量的輸入／輸出要求；同時實現(xiàn)電路上的隔離，防止干擾進入。

1.1.4 電源模塊

采用兩級式變換器的參數(shù)設(shè)計，用電路解耦法改善直流變換器的電磁兼容性。電源分兩組DC／DC變換，將從靶彈上輸入的直流電分別變換為5，12V，供計算機、GPS接收機和數(shù)傳電臺使用。兩組電源模塊均為軍品級，以保證質(zhì)量。

1.1.5 GPS接收機

選用NOVATEL公司OEM－2接收機，＋5V供電，通過串口與計算機通信，可設(shè)置工作模式、通信參數(shù)和導(dǎo)航電文格式等信息。

1.1.6 數(shù)傳電臺

選用MDS4710，由電源模塊轉(zhuǎn)換的12V電壓為其供電。該電臺采用DSP技術(shù)，抗干擾性能好，接收靈敏度高，傳輸速度快，在惡劣條件下能可靠通信。其專用工具軟件方便安裝調(diào)試和維護使用。

1.2 功能模塊

1.2.1 程序裝訂

將主控計算機上的程序裝訂串行口與編譯程序的設(shè)備相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、解算、輸出及安控指令輸出、執(zhí)行程序的裝訂與更新。

1.2.2 數(shù)據(jù)裝訂

將主控計算機上的數(shù)據(jù)裝訂串行口與地面測試設(shè)備連接，可接收地面測試軟件中數(shù)據(jù)裝訂模塊發(fā)送的安控區(qū)域經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并按一定格式存儲在系統(tǒng)的EEPROM中。

1.2.3 安控仿真測試

將主控計算機上的安控仿真串行口與地面測試設(shè)備相連，可對裝訂的安控區(qū)域進行仿真測試，也可實時監(jiān)測GPS的輸出信息和安控器的執(zhí)行情況。

1.2.4 靶彈控制系統(tǒng)通信

連接靶彈控制系統(tǒng)與安控器通過串口，安控器可實時接收靶彈飛控系統(tǒng)輸出的偏航等信息，作為安控備份數(shù)據(jù)。

1.2.5 GPS數(shù)據(jù)通信

主控計算機可實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù)輸出及安控命令的輸出與執(zhí)行等功能。GPS OEM板可為安控器提供經(jīng)度、緯度、高度、東／北／天向速度等數(shù)據(jù)信息。

1.2.6 彈上設(shè)備信息采集下傳

通過多功能數(shù)據(jù)采集卡采集靶彈的模擬、開關(guān)信號，編碼處理后可通過數(shù)傳電臺下傳至地面接收設(shè)備。

2 安控執(zhí)行策略與軟件流程設(shè)計

2.1 安控執(zhí)行策略

為保護參試艦艇等重要目標(biāo)并防止靶彈飛出試驗航區(qū)，根據(jù)任務(wù)區(qū)域、地理環(huán)境和航路要求，需預(yù)先設(shè)定靶彈安控警戒和規(guī)避爬高的區(qū)域，并按一定算法向安控器內(nèi)注入安控警戒線、安控必炸線和規(guī)避爬高線的數(shù)據(jù)，如圖2所示［5］。這些參數(shù)是執(zhí)行安控策略的重要依據(jù)。

圖2 安控概念Fig.2 Conceptions of flight safety controlling

2.1.1 安控警戒線

安控警戒線內(nèi)部分是組織靶彈飛行試驗的區(qū)域，即試驗危險區(qū)，該區(qū)域為多邊形，一般為四邊形。靶彈飛行前需向彈上裝訂安控警戒線數(shù)據(jù)，包括四邊形4個頂點的序號和經(jīng)緯度坐標(biāo)。設(shè)定頂點序號從1開始按逆時針方向排序。

2.1.2 安控必炸線（安控管道）

裝訂安控警戒線數(shù)據(jù)后，安控器自動沿警戒線內(nèi)縮10km（該數(shù)值可調(diào)）生成一條封閉的安控必炸線，用于安控器發(fā)出安控自毀指令并可靠執(zhí)行。生成的數(shù)據(jù)包括頂點的序號和經(jīng)緯度坐標(biāo)。頂點序號按逆時針方向排序。

2.1.3 規(guī)避爬高線

將參試艦艇活動的區(qū)域投影到靶彈預(yù)定飛行航線上，沿靶彈預(yù)定飛行航線距離該投影前端10km（該數(shù)值可調(diào)）處生成一條垂直線，沿此垂直線往靶彈飛行方向的區(qū)域為規(guī)避區(qū)。安控器在靶彈到達(dá)規(guī)避線時發(fā)出爬高指令，控制靶彈爬高以規(guī)避參試艦艇。

2.1.4 飛行航區(qū)

靶彈正常狀態(tài)下的飛行區(qū)域，由安控必炸線圍成，即安控管道內(nèi)區(qū)域。

2.1.5 安控自毀區(qū)

靶彈執(zhí)行安控自毀指令后，可能墜落地散布點形成的帶狀區(qū)域，由安控警戒線和安控必炸線圍成（圖中陰影區(qū)域）。

2.2 軟件流程

主控計算機選用DOS操作系統(tǒng)為平臺，用Turbo C＋＋3.1設(shè)計控制應(yīng)用軟件。軟件系統(tǒng)主要由初始化模塊、采集模塊、信息處理模塊、信息編碼發(fā)送模塊、通信模塊和中斷模塊等組成，加電后自動運行。軟件主程序流程如圖3所示。

靶彈通電后，安控器讀取預(yù)先裝訂的安控參數(shù)，完成變量和硬件的初始化。靶彈發(fā)射后在空中飛行時，安控器實時采集彈上有關(guān)信號，并分析判斷：先判斷GPS接收機實時輸出的位置信息是否有效、有無受到干擾［6］。若GPS信號正常，則優(yōu)先采用GPS數(shù)據(jù)；若安控器判斷GPS接收機實時輸出的位置信息無效、受到強烈干擾，則采用彈上飛行控制系統(tǒng)解算出的偏航信息。安控器對GPS或飛控偏航數(shù)據(jù)進行解算、編碼和處理，實時判定靶彈是否處于安控區(qū)或規(guī)避區(qū)。一旦判定靶彈飛行進入規(guī)避區(qū)或超出安控管道，則根據(jù)安控實施判別準(zhǔn)則，完成靶彈對參試艦艇的規(guī)避或超安全區(qū)自毀，實現(xiàn)靶彈的安全可控飛行：當(dāng)靶彈飛入規(guī)避區(qū)時，安控器發(fā)出規(guī)避指令，控制靶彈舵機動作使靶彈爬高，以規(guī)避參試艦艇；如靶彈飛出安控管道，安控器立即輸出自毀指令，斷開靶彈上的舵機供電線路，使靶彈迅速墜毀在安控自毀區(qū)域內(nèi)［7］。在此過程中，靶彈安控器與地面系統(tǒng)間保持信息聯(lián)絡(luò)，能實時將靶彈上主要設(shè)備的狀態(tài)信息和位置信息傳送至地面設(shè)備，便于地面掌握靶彈工作狀態(tài)。

圖3 軟件主程序流程Fig.3 Flowchart of main software

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 靶彈相關(guān)數(shù)據(jù)采集與處理

因彈上電磁干擾嚴(yán)重，安控器在采集彈上相關(guān)信號特別是模擬信號時，易受各類噪聲干擾，采集的數(shù)據(jù)可能存在失真，造成信息誤判［8］。為解決該問題，按以下規(guī)定采集處理數(shù)據(jù)。

a）程序設(shè)定每100ms采集1組數(shù)據(jù)，每次連續(xù)采集50組，去除最大、最小值，剩下的48組數(shù)據(jù)作算術(shù)平均，并將此平均值作為I／O部分信號的1次采集數(shù)值，由此保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

b）對采集時間控制，使用計算機內(nèi)部時鐘計時。計算機內(nèi)部時鐘一般每55ms計時1次，為此修改了其定時間隔，將55ms改為50ms，保證采集時間間隔準(zhǔn)確，不會出現(xiàn)時間誤差累積［9］。

3.2 安控實施判別準(zhǔn)則

靶彈在發(fā)射、飛行過程中，彈上電磁環(huán)境、力學(xué)環(huán)境非常復(fù)雜，GPS信號在傳輸中易受干擾出現(xiàn)誤碼，同時靶彈飛控系統(tǒng)輸出的角度偏航信號也可能瞬時超過門限值［10］。因此，即使靶彈正常飛行，未飛出安控管道，安控器也可能會出現(xiàn)誤判。對此，制定以下安控實施判別準(zhǔn)則。

a）程序中設(shè)計了用于檢查靶彈是否出現(xiàn)角度偏航或飛出安控管道的動態(tài)滑動窗口。為判斷GPS數(shù)據(jù)是否進入規(guī)避區(qū)或超出安控管道，設(shè)計采用窗口寬度為5、門限為3的動態(tài)滑動窗口，即連續(xù)采集數(shù)據(jù)5次，若有3次以上數(shù)據(jù)出現(xiàn)超界，則判為區(qū)域超界；為判斷角度偏航，采用窗口寬度為100、門限為80的動態(tài)滑動窗口，即連續(xù)采集數(shù)據(jù)100次，若有80次或大于80次偏航，則確認(rèn)為靶彈偏航。

b）設(shè)定GPS信號正常時，以GPS數(shù)據(jù)為主，此時即使靶彈偏航，只要GPS數(shù)據(jù)未飛出安控管道，就不發(fā)自毀指令；GPS信號不正常時，以偏航數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，只要連續(xù)3次動態(tài)滑動窗口給出偏航信號，立即發(fā)出自毀指令。

4 可靠性仿真與分析

對安控器進行了多次地面仿真測試，以檢驗安控器的工作可靠性。仿真試驗工作原理如圖4所示。

圖4 安控仿真試驗原理Fig.4 Principle of simulation test

試驗前由地面仿真測試儀將安控參數(shù)，如安控警戒線多邊形每個頂點的經(jīng)緯度和頂點順序號等，通過裝訂到靶彈安控器。模擬靶彈在空中飛行可能遇到的各種條件及其相應(yīng)的工作狀態(tài)，地面仿真測試儀實時將有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至安控器，檢測安控器是否依據(jù)安控策略有效控制靶彈舵機模擬器動作，同時通過仿真監(jiān)測設(shè)備實時監(jiān)控安控器的工作狀態(tài)及其與地面的傳輸數(shù)據(jù)是否正常。仿真結(jié)果表明：設(shè)計的安控器工作可靠，當(dāng)靶彈處于安控管道（其中管道數(shù)據(jù)為虛擬數(shù)據(jù)，僅作參考）內(nèi)時，不執(zhí)行安控；若飛入規(guī)避區(qū)，則執(zhí)行爬高指令（仿真結(jié)果如圖5所示）；若飛出安控必炸線，則執(zhí)行安控自毀指令（仿真結(jié)果如圖6所示）。

圖5 仿真測試結(jié)果（進規(guī)避區(qū)）Fig.5 Result of simulation test 1

圖6 仿真測試結(jié)果（出安控區(qū)）Fig.6 Result of the simulation test 2

5 結(jié)束語

本文通過在靶彈上加裝高可靠性、基于GPS接收機、獨立于靶彈飛行控制系統(tǒng)的彈載安控設(shè)備，實現(xiàn)了靶彈規(guī)避參試艦艇、在飛行控制故障或未被成功攔截的情況下墜毀到預(yù)定安全區(qū)域的目的，并利用靶彈控制系統(tǒng)的速度、偏航等信息作為備份，增加了安全余度，保證了靶彈在試驗供靶過程中的安全可靠。靶彈安控器集信號采集、彈道測量、安全控制、信號傳輸功能于一體，不僅能執(zhí)行靶彈安控策略而且可實時將靶彈上主要設(shè)備的狀態(tài)信息和位置信息發(fā)送給地面設(shè)備，便于監(jiān)測靶彈工作狀態(tài)。該系統(tǒng)在靶場得到多次成功應(yīng)用，圓滿完成了多型試驗的供靶保障任務(wù)，發(fā)揮了重要作用。

將靶彈飛行控制系統(tǒng)輸出的偏航信息（當(dāng)靶彈偏離正常射向時，超過預(yù)裝訂角度即判定為角度偏航）作為備份，增加了安全余度，避免了當(dāng)GPS信號受到干擾時靶彈安控器誤操控現(xiàn)象的發(fā)生。

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