空空導彈地面檢測設備校準方法研究

趙自文 徐毓雄 嚴宜強

摘 要：現(xiàn)階段空空導彈地面檢測設備僅能實現(xiàn)分單元單物理量參數(shù)的校準，為解決空空導彈產品綜合參數(shù)校準需求，提出基于系統(tǒng)模擬空空導彈產品測試參數(shù)、模擬空空導彈產品電氣測試接口、模擬空空導彈產品測試流程的校準方法，通過分析空空導彈產品參數(shù)及接口特征，設計公共基礎校準測控平臺和獨立校準適配器，采用校準測控平臺和校準適配器組合架構研制一套空空導彈地面檢測設備校準系統(tǒng)，提升校準系統(tǒng)的通用性和擴展性，滿足不同型號空空導彈產品參數(shù)的模擬校準。校準系統(tǒng)經現(xiàn)場驗收測試，測試結果滿足系統(tǒng)技術指標要求，校準系統(tǒng)已應用于空空導彈地面檢測設備的現(xiàn)場原位校準，實現(xiàn)空空導彈產品綜合參數(shù)校準。

關鍵詞：空空導彈；地面檢測設備；校準系統(tǒng)；測控平臺；校準適配器

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）12-0063-06

Abstract： At present， airborne missile ground test equipment is only capable of calibrating each unit and physical quantity parameters separately. In order to solve the calibration problems of comprehensive technical parameters of airborne missile products， a calibration method based on system simulation of airborne missile product test parameters， electrical test interface and test process is proposed. By analyzing airborne missile product parameters and interface features， designing public foundation calibration， measurement and control platform and independent calibration adapters and adopting calibration， measurement and control platform and calibration adapters combination architecture， an airborne missile ground test equipment calibration system is researched and developed to improve the versatility and extensibility and meets simulation calibration requirements of technical parameters of different models of airborne missile. After field acceptance and test， the calibration system results meet technical specification requirements and the calibration system has been applied to in-situ calibration of airborne missile ground test equipment， which realizes the comprehensive parameters calibration of airborne missile products.

Keywords： airborne missile； ground test equipment； calibration system； measurement and control platform； calibration adapter

0 引 言

空空導彈地面檢測設備是空空導彈武器系統(tǒng)科研生產過程中的重要保障設備，自動化程度高、組成構成復雜、測試參數(shù)類型繁雜、影響測量結果準確性的環(huán)節(jié)多、體積龐大且安裝在科研生產現(xiàn)場[1]，設備的校準是型號計量保證工作的重要一環(huán)，目前國內對空空導彈地面檢測設備的校準還僅限于分單元單物理量參數(shù)的校準，不滿足型號計量保證要求，面臨突出的5個校準方面問題需要解決：1）對于空空導彈武器系統(tǒng)的綜合參數(shù)[2]，如制導參數(shù)、截獲參數(shù)等還無法實現(xiàn)校準，無法全面衡量評估地面檢測設備的工作和技術狀態(tài)；2）目前的校準僅能驗證導彈產品單物理量參數(shù)的合格測試范圍，對于檢測設備超出合格范圍測量結果的判斷識別能力無法確認；3）檢測設備的校準軟件和測試產品軟件的關聯(lián)程度沒有確認，通過設備校準軟件得到的校準結果能否代表地面檢測設備的實際工作狀態(tài)沒有驗證；4）檢測設備校準接口的信號狀態(tài)與產品測試接口端面的信號狀態(tài)不一致，校準接口得到的校準結果不同于產品測試接口端面的校準結果；5）設備校準忽略了測試電纜環(huán)節(jié)，測試電纜是地面檢測設備的重要組成部分，未將測試電纜引入校準環(huán)節(jié)所得到的校準結果不是真實結果。鑒于空空導彈地面檢測設備存在上述亟待解決的校準問題，為了保證空空導彈產品測量結果準確可靠并具有溯源性，開展了空空導彈地面檢測設備的校準方法研究及校準系統(tǒng)的研制。

1 空空導彈地面檢測設備校準方法

分析上述需解決的校準問題，其根源是設備校準環(huán)節(jié)與設備測試產品環(huán)節(jié)之間的脫節(jié)，為此開展了專項課題研究，創(chuàng)新設計一種基于系統(tǒng)模擬空空導彈武器裝備的校準方法[3-4]。

系統(tǒng)模擬空空導彈武器裝備是一套綜合性的校準方法，不僅涉及到了導彈產品的工作原理、性能參數(shù)、結構特征，還涉及到了檢測設備的測試原理、設備構成、測試流程等。系統(tǒng)模擬即為校準系統(tǒng)模擬空空導彈產品參數(shù)、模擬空空導彈產品測試接口、模擬空空導彈產品測試流程，實現(xiàn)地面檢測設備原測試工位、原工況條件下的校準，通過系統(tǒng)模擬的校準方式可真實校準地面檢測設備的工作狀態(tài)和技術狀態(tài)，評估地面檢測設備能否用于空空導彈的測試。

1.1 系統(tǒng)模擬空空導彈產品參數(shù)

空空導彈產品既包含單物理量參數(shù)又包含綜合參數(shù)，建立導彈產品參數(shù)的溯源鏈，需要建立導彈產品參數(shù)、檢測設備參數(shù)、校準系統(tǒng)參數(shù)、計量標準之間的溯源關系，在整個溯源鏈中目前缺失的是檢測設備參數(shù)與校準系統(tǒng)參數(shù)之間的對應溯源關系，導彈產品需要測試的參數(shù)校準系統(tǒng)均需模擬，如導彈產品點火阻值，校準系統(tǒng)就需要模擬相應的阻值對檢測設備實施校準。

1.2 系統(tǒng)模擬空空導彈產品測試接口

為了真實評估地面檢測設備的狀態(tài)，產品測試電纜應視為地面檢測設備的一部分，產品測試電纜的端面接口即為校準所要的接口，校準系統(tǒng)需要模擬空空導彈產品測試接口，無論是接口的物理尺寸還是接口內部端子的定義均要與導彈產品完全兼容，當校準地面檢測設備時，只需將產品測試電纜直接連接至校準接口即可實現(xiàn)，如系統(tǒng)模擬導彈產品制導艙測試接口。

1.3 系統(tǒng)模擬空空導彈產品測試流程

地面檢測設備內部安裝有多型空空導彈產品的測試軟件，設備檢測導彈產品時需要運行對應的測試軟件執(zhí)行對應導彈產品的測試流程。校準系統(tǒng)模擬導彈產品測試流程，包含通信、參數(shù)、時序、激勵、測試等環(huán)節(jié)，建立與地面檢測設備之間相匹配的流程，當校準系統(tǒng)連至地面檢測設備并運行導彈產品測試軟件時，測試界面所得到的結果即為地面檢測設備的校準結果，通過校準結果判斷檢測設備的狀態(tài)是否正常。

2 空空導彈地面檢測設備校準系統(tǒng)

依據(jù)系統(tǒng)模擬空空導彈武器裝備校準方法開發(fā)設計一套地面檢測設備校準系統(tǒng)，下面分別就校準系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計、校準示例、校準技術解決途徑及驗收測試和應用進行說明。

2.1 校準系統(tǒng)硬件設計

地面檢測設備測試的空空導彈型號較多，且每種空空導彈型號的測試參數(shù)、測試接口及測試流程均不相同，校準系統(tǒng)的硬件部分設計需要考慮通用性的要求，既要分析各型空空導彈產品的差異又要提取其共性的部分，同時還要兼顧校準系統(tǒng)的今后擴展，因此校準系統(tǒng)硬件設計采用通用校準測控平臺[5-6]加上各型校準適配器的架構模式，如圖1所示，即將各型空空導彈測試的共性部分設計成一個通用校準測控平臺，把各型空空導彈測試相異部分設計成對應的校準適配器?？紤]校準系統(tǒng)的運輸及現(xiàn)場使用環(huán)境，校準系統(tǒng)安裝在減振機箱中，內部設計有溫控、供電凈化、屏蔽接地等裝置，確保校準系統(tǒng)處于一個良好的工作環(huán)境。

2.1.1 通用校準測控平臺

通用校準測控平臺包含主控計算機、供電電源單元、PXI模塊單元、微波信號測試單元及測控單元組成，校準測控平臺的控制核心為GPU-510工控機，它通過基于光纖高速串行鏈路遠程控制器（PXI-PCI8366）直接控制PXI模塊單元，通過GPIB總線控制供電電源單元和微波測試單元。平臺供電單元、PXI模塊單元及微波測試單元的相關信號匯集到平臺測控單元，測控單元對匯集信號進行組合、調配、預處理后到平臺對應校準接口[7-8]。

2.1.2 測控單元

測控單元主要解決以下3個方面的問題。

1）信號預處理。從平臺各單元匯集過來的信號較多，且信號特征差異較大，需要進行預處理，尤其是脈沖信號對傳輸匹配環(huán)節(jié)要求較高，容易引入信號間交擾，導致信號失真，嚴重時會造成時序混亂，測控單元要對匯集信號進行預處理，采取阻抗匹配、信號放大/衰減、時標統(tǒng)一、分離傳輸?shù)忍幚泶胧?/p>

2）通道預組合?？湛諏椥盘柕男薁顟B(tài)比較雜，既有單線（共地）、雙線（不共地），又有四線測量模式，測控單元需要配合兩塊PXI矩陣模塊實現(xiàn)通道的不同狀態(tài)組合，構建空空導彈不同參數(shù)的校準測量模式。

3）測控平臺校準接口。結合平臺資源、信號特征、校準流程等方面因素，測控平臺校準接口[9]設計成8種共11個接口與校準適配器互連，包含供電接口XS1、采集接口XS2、矩陣接口XS3和XS4、數(shù)字I/O接口XS5、高頻信號接口XS6和XS7、通信接口XS8、指令接口XS9、微波信號接口XS10和XS11。

2.1.3 校準適配器

校準適配器是通用校準測控平臺與空空導彈地面檢測設備之間聯(lián)系的紐帶，起承上啟下的作用。校準適配器面向各型空空導彈的參數(shù)校準而設計，每型空空導彈對應設計一型校準適配器[10-11]，校準適配器主要包含以下5部分。

1）I/O控制電路?；贗/O控制進行編碼，用于測試通道的選用、加載控制、信號時序控制、狀態(tài)控制等功能的實現(xiàn)。

2）調理電路。該電路用于將來自通用校準測控平臺的激勵信號電平轉換為與導彈產品相對應的電平，把地面檢測設備發(fā)送過來的信號轉換為通用校準測控平臺能兼容的電平。

3）觸發(fā)電路。為了實現(xiàn)時序基準的統(tǒng)一，校準適配器內部設置有觸發(fā)電路，用于完成實現(xiàn)導彈不同參數(shù)的測試，通過觸發(fā)信號給校準測控平臺內部不同的資源，嚴格按時序執(zhí)行地面檢測設備的導彈測試流程實現(xiàn)對應型號導彈參數(shù)的校準。

4）專用電路。由于通用校準測控平臺的資源有限，對于各型導彈專用性很強的電路需要設計到對應的校準適配器中，如某型產品的渦輪電壓信號幅值在200 V左右，頻率在動態(tài)變化，但其他產品不涉及此類信號，因此在該型產品校準適配器中設計專用電路（交流源電路）以滿足校準需求。

5）接口。校準適配器的接口分為校準接口和測試接口兩部分，校準接口的設置與校準測控平臺的接口一一對應，測試接口的設置與對應的導彈產品接口完全兼容。

2.2 校準系統(tǒng)軟件設計

如圖2所示，校準系統(tǒng)軟件開發(fā)選用VC++，用于校準系統(tǒng)控制及測試模塊等設計，校準數(shù)據(jù)庫類型選用Access，數(shù)據(jù)庫接口ADO是訪問數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一界面標準。校準系統(tǒng)軟件采用層級管理和模塊化設計。軟件底層的構建是校準軟件的基礎，軟件底層由數(shù)據(jù)采集測量、供電、函數(shù)波形產生、高速數(shù)字信號產生、微波信號產生、時域信號分析、頻域信號分析、計數(shù)器、多路復用器、矩陣開關/微波開關、指令信號產生、串口總線收發(fā)模塊組成。軟件中間層是數(shù)據(jù)接口層，由設備控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，用來完成系統(tǒng)硬件的管理和數(shù)據(jù)交互。軟件頂層是校準執(zhí)行層，由可操作的顯示界面組成，完成對地面檢測設備各型空空導彈的接口配置、資源分配、流程管理、數(shù)據(jù)顯示、信息處理、人機交互等功能。

按照不同型號空空導彈的工作模式，分別建立對應型號導彈及無線電目標模擬器工作模塊，并將所有相關信息保存在數(shù)據(jù)庫中，軟件模塊化設計主要體現(xiàn)在以下3個方面。

1）校準項目模塊化。是以各型空空導彈參數(shù)以及無線電目標模擬器測試流程中的測試項目為基礎建立相應的組合模塊，便于按單項校準或自動組合校準時使用，簡化操作過程。

2）設備單元模塊化。是系統(tǒng)訪問各設備單元時的操作模塊，以提高系統(tǒng)對設備訪問操作的效率，本系統(tǒng)建立了任意波產生模塊、函數(shù)波產生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、高速數(shù)字信號產生模塊、微波源模塊、微波信號分析模塊等模塊。

3）接口模塊化。以各型導彈及無線電目標模擬器建立相應的接口模塊，通過接口模塊使訪問便捷，簡化操作過程，有效提高系統(tǒng)的工作效率。

2.3 校準示例

下面結合某型產品的制導參數(shù)校準為例進行說明。制導參數(shù)是項綜合參數(shù)，包含啟動、電氣延遲、氣動延遲、解鎖控制等時序信號，又有隨目標位置變化的sin、sinsin、sincos函數(shù)信號以及NU、ND、NL、NR指令信號。校準系統(tǒng)需要模擬制導參數(shù)的工作時序、函數(shù)信號以及指令信號，工作原理如圖3所示。

制導參數(shù)校準時首先由校準程序控制測控平臺的I/O電路進行編碼，編碼信號通過平臺的XS5接口至適配器的時序控制電路和同步觸發(fā)電路，其中時序控制電路輸出相應的啟動、電氣延遲、氣動延遲、解鎖控制等時序信號到測試接口。同步觸發(fā)電路產生的觸發(fā)信號至sin、sinsin和sincos函數(shù)電路以及NU、ND、NL、NR指令電路的同步輸入端，收到同步觸發(fā)信號時函數(shù)電路和指令電路模擬導彈在跟隨位置目標時輸出對應的信號至校準接口XS6和XS7，為了滿足校準測試要求，在校準適配器中設計了sin、sinsin、sincos函數(shù)放大電路以及NU、ND、NL、NR指令電平變換電路，二次變換后的信號按導彈接口定義分別送至測試接口的對應端子實現(xiàn)制導參數(shù)的校準。

2.4 模擬校準技術解決途徑

本文結合空空導彈舵機扭矩參數(shù)模擬校準為例，由于校準系統(tǒng)只模擬電參數(shù)不模擬實際加載，但加載測試是導彈測試流程的一部分，如何既驗證加載參數(shù)滿足要求又保證測試流程順利進行需要有相應的解決方法，本系統(tǒng)設計時將舵機扭矩參數(shù)的模擬校準分兩步實現(xiàn)。

1）扭矩傳感器靜態(tài)校準。地面檢測設備的扭矩參數(shù)測量范圍0～200 N·m，允許誤差±5%。首先設計一套如圖4所示的扭矩傳感器加載機構，其中包含一只量程300 N·m、±1%的數(shù)顯扭矩扳手和一套絲杠加載裝置。

校準時將加載機構固定到檢測設備平臺，數(shù)顯扭矩扳手套接到檢測設備的扭矩傳感器，將一臺直流電壓0～10 V/±0.01%的5位半數(shù)字電壓表連接至扭矩傳感器放大器的輸出端，移動絲杠加載裝置使扭矩達到規(guī)定值后，分別讀取扭矩扳手和地面檢測設備的扭矩測量值及數(shù)字電壓表的直流電壓測量值，計算并判斷地面檢測設備的扭矩測量結果是否滿足誤差要求，表1是一臺地面檢測設備的扭矩參數(shù)校準結果。

2）測試流程的扭矩參數(shù)校準。當?shù)孛鏅z測設備扭矩傳感器的靜態(tài)扭矩參數(shù)校準合格后，基于表1中數(shù)字電壓表的電壓測量值與標準扭矩值，繪出扭矩-電壓擬合線，根據(jù)擬合結果將測試流程中需要的幾種舵機扭矩方波測量狀態(tài)編輯后存入校準系統(tǒng)測控平臺中的信號發(fā)生器模塊。校準系統(tǒng)接入地面檢測設備，將校準系統(tǒng)電纜連接至地面檢測設備的采集單元以取代扭矩放大器的輸出電纜，運行地面檢測設備導彈測試軟件，測試完畢后可得到包括扭矩參數(shù)在內的所有參數(shù)測試結果，通過測試結果判斷地面檢測設備的狀態(tài)是否正常。

2.5 驗收測試和應用

校準系統(tǒng)研制完畢后，完成兩份校準規(guī)范的編制并通過評審，一份是校準系統(tǒng)的校準規(guī)范，另一份是地面檢測設備的校準規(guī)范，通過校準規(guī)范建立完整的導彈產品參數(shù)溯源關系。校準系統(tǒng)經連續(xù)72 h的拷機測試，實測系統(tǒng)參數(shù)均優(yōu)于規(guī)定的技術指標要求，主要參數(shù)測試結果如表2所示。

校準系統(tǒng)已應用于空空導彈地面檢測設備的現(xiàn)場校準，實現(xiàn)了地面檢測設備校準工作的程序化、自動化、規(guī)范化，應用效果良好。

3 結束語

空空導彈地面檢測設備采用系統(tǒng)模擬空空導彈武器裝備的校準方法，解決了地面檢測設備的系統(tǒng)綜合校準難題，通過該方法能真實校準地面檢測設備的綜合技術參數(shù)，能準確評估地面檢測設備的技術狀態(tài)能否用于空空導彈的測試。校準系統(tǒng)采用校準測控平臺和校準適配器的組合架構，兼顧了校準系統(tǒng)的通用性和擴展性，不僅能用于目前空空導彈產品參數(shù)的校準，今后還易升級擴展到其他型號產品。

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（編輯：劉楊）