高速航空拖靶操控分系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉鵬程，房海華，何　泳

（上海航空測控技術研究所故障診斷與健康管理技術航空科技重點實驗室，上?！?01601）

高速航空拖靶操控分系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉鵬程，房海華，何泳

（上海航空測控技術研究所故障診斷與健康管理技術航空科技重點實驗室，上海201601）

某型高速航空拖靶系統(tǒng)的改造升級過程中，為解決新拖機在高速飛行時伴隨的異常振動及快速收靶時帶來的對靶機的安全隱患，需增加智能化、人性化的操控分系統(tǒng)實現(xiàn)命令控制、畫面顯示、視頻監(jiān)控、存儲、飛行數(shù)據(jù)轉發(fā)與記錄功能；操控分系統(tǒng)通過串口與顯示器、靶載臺和遙測電臺進行數(shù)據(jù)通信，通過網(wǎng)口實現(xiàn)與航空絞車數(shù)據(jù)通信，把獲取的數(shù)據(jù)進行分析處理和存儲，為收放靶提供數(shù)據(jù)指導和作戰(zhàn)任務分析，通過采用顯控和存儲雙系統(tǒng)的設計確保控制操作的獨立性和安全性；這些使得高速航空拖靶的工作狀態(tài)更加安全、可控，提高了靶標模擬飛航式導彈的效果，為作戰(zhàn)演練和武器研制提供了更好的輔助工具；通過對操控部分的設計與實現(xiàn)的簡要分析，闡述了新型高速拖靶系統(tǒng)的實用功能。

航空；拖靶；視頻；存儲；顯示；導彈

0　引言

高速航空拖靶系統(tǒng)主要由航空絞車及靶標（拖靶）分系統(tǒng)、測控吊艙（遠程鏈路）分系統(tǒng)、操控分系統(tǒng)三部分組成，通過航空絞車拖曳拖靶，可用于對空武器試驗、訓練的空中靶標，與無人機和靶彈等靶標相比價格低廉且可具備回收重復利用的特點，一直被用來模擬飛航式導彈供演習訓練用。隨著時代的發(fā)展，原來引進研仿的拖靶系統(tǒng)也需要進行更新升級，本文闡述的操控分系統(tǒng)實現(xiàn)了高速拖靶系統(tǒng)的指令操控和相關數(shù)據(jù)的轉發(fā)、顯示和記錄存儲，豐富和完善了拖靶系統(tǒng)的功能，提升了拖靶系統(tǒng)的實際應用效果。

1　操控分系統(tǒng)組成及工作流程

高速航空拖靶操控分系統(tǒng)由顯控處理機、視頻監(jiān)視設備、顯示器三部分組成，其對外交聯(lián)的原理框圖如圖1所示。

視頻攝像頭用于監(jiān)控航空絞車收放靶時畫面，飛行員通過飛機座艙內的顯示器觀察航空絞車所掛載拖靶狀況，通過顯示器的周邊鍵發(fā)送控制指令至顯控處理機控制絞車收纜、放纜、快收、慢收、定高飛行及切換左右監(jiān)控畫面等動作。同時顯控處理機接收航空絞車發(fā)送的狀態(tài)信息，并在顯示器上顯示。

圖1　高速航空拖靶操控分系統(tǒng)交聯(lián)原理框圖

顯控處理機給測控吊艙的數(shù)傳電臺定高指令，控制拖靶的定高飛行等操作，并獲取數(shù)傳電臺傳來的含有高度、位置等內容的拖靶信息；將接收到的航空絞車的信息和拖靶信息送給測控吊艙的遙測電臺，遙測電臺會通過無線數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送給地面站，同時顯控處理機還會將視頻攝像頭傳來的視頻畫面輸出至顯示，并將顯示畫面?zhèn)魉徒o測控吊艙。

航空絞車內部配有長達數(shù)千米的拖曳纜繩、控制收放纜的機械氣動裝置、測量纜繩長度的計數(shù)裝置、計算纜繩張力的壓力傳感裝置、測算收放纜速度的測速裝置、記錄纜繩數(shù)據(jù)的電路邏輯組件，當航空絞車上電后會進行自檢，并將自檢信息自動上傳至給顯控處理機。

拖靶內部有飛控系統(tǒng)、靶載電臺等裝置，飛控系統(tǒng)用來響應定高指令及曳光管點燃；靶載電臺主要把拖靶信息傳送給測控吊艙的數(shù)傳電臺。測控吊艙裝配有數(shù)傳電臺和遙測電臺，數(shù)傳電臺會與拖靶的靶載電臺通信，接收靶載電臺傳來的拖靶狀態(tài)信息，給拖靶發(fā)送高度控制、曳光等指令信息；遙測電臺會將顯控處理機傳來的含有航空絞車信息和拖靶信息的數(shù)據(jù)通過無線鏈路傳送給遙測地面站。

遙測地面站接收遙測電臺傳來的航空絞車和拖靶的信息并解碼顯示，接收測控吊艙傳來的監(jiān)控視頻的畫面并顯示。通過以上功能飛行操作人員能夠通過座艙中的顯示器了解航空絞車的狀態(tài)信息，加強了收放靶狀態(tài)時的飛行安全，地面站指揮人員也能實時了解飛行操作人員的操作及系統(tǒng)的狀態(tài)信息，便于對飛行人員進行指導，這樣能做到系統(tǒng)運行的全程可視化。

2　系統(tǒng)工作原理及硬件組成

根據(jù)高速航空拖靶操控分系統(tǒng)所需完成的功能，顯控處理機系統(tǒng)硬件結構設計及功能如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件結構及功能圖

高速航空拖靶操控分系統(tǒng)硬件結構由視頻采集存儲板、顯示控制板、電源板、存儲卡模塊、顯示器、視頻監(jiān)視設備及底板組成，具體功能如下：

1）視頻采集存儲板主要功能為負責處理視頻監(jiān)視設備采集的模擬視頻信號，將模擬信號數(shù)字化后進行壓縮處理，將壓縮完成的視頻存儲到存儲卡中，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)對外傳輸，通過RS422接口與顯示控制板通訊。

2）顯示控制板主要功能為通過RS485接口接收顯示器周邊鍵的控制信息，并經(jīng)轉換進行命令的分發(fā)，通過RS422總線實現(xiàn)對拖靶測控機載臺、通過網(wǎng)口通信實現(xiàn)對航空絞車數(shù)字化系統(tǒng)狀態(tài)信息的記錄，離散量的輸入輸出。具備一路以太網(wǎng)下載接口，視頻預覽切換功能，此板的特點為多串行口設計，保證充足的接口需求，同時通過RS422接口實現(xiàn)與視頻采集板的通信。

3）存儲卡主要接收視頻采集板壓縮后的視頻信號，進行存盤處理。

4）底板主要實現(xiàn)設備對外信號的連接和各個板卡間的信號轉接，視頻信號的放大處理和切換分解；對顯示控制板離散量的光電隔離等，主要提供信號輸入輸出通道。通過顯控處理機的航空連接器與測控吊艙、航空絞車、顯示器、視頻攝像頭進行交聯(lián)數(shù)據(jù)信號的傳輸。

5）顯示器設有周邊鍵，其鍵值通過RS422與外接通訊完成相應控制過程。顯示器通過差分RGB視頻信號接口與顯控處理機接線聯(lián)系，實現(xiàn)視頻顯示功能。

6）視頻監(jiān)視設備主要由視頻攝像頭及整流罩及固定裝置組成，完成視頻信號的前端采集功能。

7）電源板主要實現(xiàn)防浪涌濾波、電源儲能、電源轉換供電等功能。

2.1顯示控制板的設計實現(xiàn)

顯示控制板主要起到對外通訊交聯(lián)的作用，通過PCI總線能夠擴展出多路的RS422及RS485總線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和指令的發(fā)送。此板卡中PM級CPU通過PCI總線的擴展實現(xiàn)多路串行總線的擴展，同時在外圍設備上擴展出8路離散量。設計框圖如圖3所示。

顯示控制板上可以輸出視頻選擇信號，實現(xiàn)對底板上兩路PAL視頻信號的切換；通過PCI總線擴展了16路的TTL離散量輸入輸出，通過CPCI接口連接到底板對外通信；擴展了8路非隔離RS422串口，通過更改BOM實現(xiàn)RS485總線的功能，各通過CPCI接口連接底板并對外與顯示器、視頻采集板等通信；1路10 M/100 M自適應網(wǎng)口也經(jīng)過底板與外界通信連接。在進行串口通信時，由于要接收一個串口信息，并進行信息處理后通過另外一個串口發(fā)送出去，實時性要求較高，用板卡自帶串口進行與視頻采集板的板間通信可以通過擴展串口進行［4］。

圖3　顯示控制板設計原理框圖

2.2視頻采集存儲板設計實現(xiàn)

視頻采集存儲板主要完成的功能是把接收到的2路復合視頻通過I2C接口控制，數(shù)據(jù)以BT656格式輸出，實現(xiàn)PAL制模擬視頻和VGA模擬視頻的編碼和壓縮功能；能夠控制存盤控制器實現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)存儲；能夠實現(xiàn)RS422總線的通訊功能。實現(xiàn)原理框圖如圖5所示。

3　系統(tǒng)軟件部分

3.1顯示控制板軟件部分

高速航空拖靶操控分系統(tǒng)上電啟動后，系統(tǒng)軟件進行BIT自檢及周期自檢［6］工作，主要檢查各離散量I/O初始化，網(wǎng)口初始化，DSP初始化，RS422與RS485串口初始化等任務。自檢完成后，座艙顯示器界面無任何報警信息輸出，可以進行工作。若出現(xiàn)自檢故障，會進行多次初始化，若不成功，相應的故障信息則會輸出在顯示器上，流程圖如圖5所示。

圖4　視頻采集板原理性框圖

圖5　開機上電初始化檢測流程圖

顯示界面中央部分為DSP處理后實時視頻預覽畫面，張力值和長度值顯示參數(shù)是通過航空絞車網(wǎng)絡實時解析傳輸顯示，周邊各按鈕鍵是通過RS422串口實現(xiàn)與測控吊艙的實時通信。

根據(jù)高速航空拖靶操控分系統(tǒng)所需的實現(xiàn)的功能，與航空絞車通過網(wǎng)口進行數(shù)據(jù)通信，可以看做服務器與客戶端的形式，顯控處理機作為服務器端，航空絞車為客戶端，服務器通過網(wǎng)絡接收絞車發(fā)送來的數(shù)據(jù)。采用socket編程實現(xiàn)，socket有兩種模式TCP和UDP，TCP是面向連接的可靠的網(wǎng)絡通信協(xié)議；UDP是面向無連接的不可靠的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)通信效率較TCP高，但是不可靠的數(shù)據(jù)傳輸［5］。高速拖靶系統(tǒng)中通過網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是絞車發(fā)來的靶的實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量完全在TCP的容量范圍內，基于拖靶系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用TCP網(wǎng)絡通信協(xié)議來與絞車進行網(wǎng)絡通信。與航空絞車網(wǎng)絡通信工作模式如圖6所示。

根據(jù)高速航空拖靶操控分系統(tǒng)與測控吊艙通過串口進行數(shù)據(jù)通信，接收靶載電臺傳來的數(shù)據(jù)保存并與航空絞車的數(shù)據(jù)進行整合后通過另外一個串口發(fā)送出去，其軟件流程示意圖如圖7所示。

3.2視頻采集存儲軟件部分

視頻存儲系統(tǒng)主要完成兩路航空攝像頭采集到的PAL視頻信號進行壓縮存儲，兩路視頻，存儲視頻文件以時間命名，基于對象的視頻編碼中，編碼的基本單元是視頻對象。為了實現(xiàn)基于對象的表示，定義了視頻對象（Video Object，VO）和視頻對象平面（Video Object Plane，VOP）等概念。運用MPEG-4編碼器可以對圖像序列中具有任意形狀的VOP進行編碼，對VOP的編碼就是針對某一時刻的幀畫面VO的形狀、運動、紋理等信息進行編碼［6］。圖8為視頻編碼原理框圖。

圖6　顯控處理機與航空絞車網(wǎng)絡通信工作模式

圖7　顯控處理機與測控吊艙工作模式

圖8　視頻編解碼框圖

其編碼過程如下：

1）從原始視頻流中采用自動、半自動、人工等方法分割出VO；

2）對VO進行編碼，對不同VO的運動、形狀和紋理信息分配不同的碼字；

3）將各個VO的碼流復合成符合MPEG-4標準的比特流。

4　試驗結果與分析

高速航空拖靶操控分系統(tǒng)完成了在高速拖靶系統(tǒng)中與航空絞車、測控吊艙之間的控制和數(shù)據(jù)通訊功能，經(jīng)過分系統(tǒng)自檢測、地面聯(lián)試、裝機通電測試、掛機試飛等階段驗證，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能有效進行放靶、收靶、高控等操作，視頻監(jiān)視的引入為空中操靶員提供了準確的收放靶時的直觀信息，地面指揮系統(tǒng)也能從操控分系統(tǒng)對外傳輸?shù)膮?shù)和視頻信息中實時掌握空中靶標飛行狀態(tài)，飛行結束時還可以通過數(shù)據(jù)卸載對飛行過程進行分析，滿足了拖靶系統(tǒng)改造升級的各項指標需求。

由于高速航空拖靶操控分系統(tǒng)穩(wěn)定的安全操控性能，確保了靶標的重復使用率，每年能夠節(jié)省可觀的軍事經(jīng)費。

5　結束語

本文介紹了高速航空拖靶操控分系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，目前該系統(tǒng)已完成鑒定工作，并列裝部隊使用。該設備的成功研制為今后開展艦空反導武器系統(tǒng)試驗提供了平臺，對部隊的作戰(zhàn)演習提供了有力保障。

［1］陳峰，陳曦，陳翔宇.空中靶標的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.兵工自動化，2006（12）：89-91.

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Design and Actualization of Control Part on the High-speed Air Tow Target System

Liu Pengcheng，F(xiàn)ang Haihua，He Yong
（Shanghai Aero Measurement-Controlling Research Institute，Shanghai201601，China）

In order to resolve the unwanted libration companied with the new tow plane and security issue as a result of reclaim tow target under the high speed，one control part should be used in the alteration of the high-speed air tow target system，it can be used to respond the commend，video display and storage，the data in the flying transmit and recording.The control part use three searial port to communicate with the display，the radio on the tow target and the sling cabin，communicate with the airo-winch through a net port，it can analyze，dispose and storage the data which

from above ports，and assist controlling and analysis whichever in the air or on the earth.It also using two systems，display controlling and storage system，to increase the control more security.All of this make the air tow target more governable and increase the impression of the tow target simulate the cruise anti-ship missile，all of this can afford a good assistant instrument for the battle maneuver and weapon research.The role of the control part in the high-speed air tow target system was summarized in this article and described the practicality fuction of the new high-speed air tow target system.

aviation；tow target；video；storage；display；missile

16714598（2016）05022604

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.064

TP308.2

A

2015-10-27；

2015-12-07。

劉鵬程（1984-），男，山東省鄒平縣人，碩士，工程師，主要從事信號獲取與處理方向的研究。