火箭橇彈道測(cè)試技術(shù)研究

唐瑞，姚然中

（航宇救生裝備有限公司， 湖北襄陽(yáng) ，441003）

1 國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

智能傳感器（Intelligent Sensor）的概念最初是由美國(guó)宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中提出并形成的，1978年研發(fā)出產(chǎn)品，是由于宇宙飛船上需要用大量的傳感器不斷向地面發(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息而產(chǎn)生的。智能傳感器技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代傳感器技術(shù)，是涉及微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及模糊控制理論等多種學(xué)科的綜合性技術(shù)。

2 火箭橇彈道測(cè)試遇到的問題

（1）系統(tǒng)中任意位置的某一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障，其輸出的雜波會(huì)干擾整個(gè)系統(tǒng)，造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓；必須精確定位故障傳感器并更換新傳感器，才能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。（2）無法精確定位故障傳感器位置。目前只能使用二分法，對(duì)整個(gè)進(jìn)行排故檢查。（3）終端接受到的任意一個(gè)傳感器信號(hào)無法溯源。（4）遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸存在時(shí)間延遲和信號(hào)嚴(yán)重衰減。

3 擬采取的研究方法及實(shí)施途徑

3.1 研究方法

目前使用的磁電測(cè)速系統(tǒng)其原理如下： 沿火箭橇副軌側(cè)間隔一定距離安裝雙度霍爾開關(guān)傳感器，在火箭橇橇體側(cè)面安裝一塊永磁鋼。當(dāng)火箭橇運(yùn)行時(shí)，永磁鋼的磁場(chǎng)經(jīng)過一個(gè)霍爾開關(guān)傳感器，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，利用數(shù)采器記錄下火箭橇運(yùn)行過程中經(jīng)過各個(gè)霍爾開關(guān)傳感器的時(shí)刻，并送至存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)。事后經(jīng)過判讀各個(gè)脈沖的間隔時(shí)間即可得到火箭橇運(yùn)行在各個(gè)霍爾傳感器之間的時(shí)間ΔT；測(cè)量相鄰傳感器之間的距離ΔS，即可計(jì)算出火箭橇經(jīng)過相鄰兩傳感器之間的平均速度:ΔS~ΔT，再加上時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)便可獲得火箭橇運(yùn)行的時(shí)空位置。

測(cè)速系統(tǒng)沿滑軌鋪設(shè)有540支傳感器，其中老滑軌每間隔10米鋪設(shè)一支傳感器共310支，新擴(kuò)建滑軌每間隔12.5米鋪設(shè)一支傳感器共230支。相鄰兩傳感器通過電纜串接，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1示。

圖1 現(xiàn)有磁電測(cè)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出，傳感器的輸出采用了邏輯“或”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即任何一個(gè)傳感器有輸出均會(huì)拉低整條線路的輸出。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在以下缺陷。

（1）線路中的任何一個(gè)傳感器發(fā)生故障，其輸出的雜波，會(huì)干擾整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)輸出，造成系統(tǒng)癱瘓，系統(tǒng)可靠性極大的降低。

（2）“或”這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的存在會(huì)導(dǎo)致在查找故障的過程中極其困難，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間尋找故障傳感器的位置。目前只能使用對(duì)線路二分法，破壞性的去尋找故障點(diǎn)。

（3）遠(yuǎn)距離供電及信號(hào)傳輸問題。6公里長(zhǎng)的通信電纜的電阻在100歐姆左右，因此如果系統(tǒng)中引入的30v的直流電壓供電的情況下，通信電纜在線路上的損耗將會(huì)非常之大，導(dǎo)致雖然傳感器有輸出，但是因?yàn)榫€路損耗的原因，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)中的部分傳感器的信號(hào)直接衰減殆盡，數(shù)采器無法獲取正確的輸入，而且對(duì)于系統(tǒng)的電源容量也是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。

3.2 人工智能技術(shù)下測(cè)速系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，本系統(tǒng)將通過對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化改造，減小其在傳輸線路上的信號(hào)衰減；通過在傳感器輸出端增加一個(gè)智能處理單元，完成傳感器信號(hào)位置編碼，從而實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)溯源問題，解決故障傳感器定位；通過光纖傳輸傳感器的輸出信號(hào)，降低系統(tǒng)損耗，同時(shí)將數(shù)采器的計(jì)時(shí)功能前移到處理單元。智能型磁電測(cè)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 智能芯片控制單元設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的系統(tǒng)，通過增加并聯(lián)處理單元的方式采集現(xiàn)場(chǎng)600個(gè)傳感器信號(hào)，每個(gè)處理單元收集20個(gè)傳感器的觸發(fā)信號(hào)，利用處理單元內(nèi)部的高精度晶振計(jì)算觸發(fā)時(shí)間間隔，同時(shí)保留在系統(tǒng)的內(nèi)部，在整發(fā)試驗(yàn)完成后將數(shù)據(jù)通過光纖上傳。本系統(tǒng)信號(hào)通過光纖進(jìn)行傳遞，可以保證信號(hào)的完整性，同時(shí)在傳送數(shù)據(jù)時(shí)可將傳感器的位置信息與時(shí)間間隔信息同時(shí)編碼進(jìn)行上傳，因此，如果系統(tǒng)中的傳感器出現(xiàn)故障，可通過編碼信息進(jìn)行快速定位。系統(tǒng)的處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 處理單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 智能控制單元對(duì)時(shí)間信號(hào)的處理

系統(tǒng)采用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）作為數(shù)據(jù)采集及處理的主要核心模塊。CPLD內(nèi)部采用固定長(zhǎng)度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性。由于系統(tǒng)中的所有CPLD使用相同的程序，因此系統(tǒng)中所有觸發(fā)信號(hào)到光纖接口的延時(shí)均保持一致，在數(shù)據(jù)采集端這些延時(shí)在計(jì)算時(shí)差時(shí)會(huì)進(jìn)行相減，消除了延時(shí)的誤差。

系統(tǒng)使用有源高精度恒溫晶振OCXO作為系統(tǒng)的時(shí)鐘精度保證，振蕩器頻率穩(wěn)定度至少保持在1×10－9，當(dāng)OCXO運(yùn)行的頻率為40Mhz的時(shí)候，系統(tǒng)的頻率誤差保持在40M±0.04hz頻率；同時(shí)CPLD采用的是硬件描述形式的編程，保證了系統(tǒng)的誤差均在ns級(jí)別。

處理單元在工作過程中，CPLD的引腳監(jiān)測(cè)傳感器的輸入情況，一旦輸入信號(hào)發(fā)生變化，便開始計(jì)算此輸入信號(hào)距離上個(gè)傳感器輸入信號(hào)的時(shí)鐘個(gè)數(shù)，根據(jù)時(shí)鐘個(gè)數(shù)即可判斷出兩次輸入信號(hào)之間的時(shí)間差。同時(shí)CPLD監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)的頻率，如果此輸入信號(hào)輸入超過兩次，則認(rèn)為傳感器出現(xiàn)故障，在最后通過光纖接口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)直接發(fā)送錯(cuò)誤碼，便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員查找傳感器故障。

3.5 控制單元時(shí)間統(tǒng)一部分的設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)傳感器采用了分組結(jié)構(gòu)，因此需要通過觸發(fā)聯(lián)絡(luò)信號(hào)將兩個(gè)不同的處理單元進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)處理單元的最后一個(gè)觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生后，CPLD發(fā)送觸發(fā)聯(lián)絡(luò)信號(hào)給下一處理單元，讓兩個(gè)處理單元保持同步。若因?yàn)槟撤N原因觸發(fā)聯(lián)絡(luò)信號(hào)沒有發(fā)送至下一塊處理單元，則后續(xù)的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)以下一處理單元的第一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)作為基準(zhǔn)，因此可以得知，系統(tǒng)在傳感器故障的情況下可以識(shí)別并封鎖相應(yīng)傳感器在故障情況下的輸出，同時(shí)，當(dāng)處理單元出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)僅僅部分傳感器的信號(hào)丟失，其他傳感器的信號(hào)的完整性沒有被破壞，因此，極大的提升的系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，盡可能的將系統(tǒng)中的有用信息進(jìn)行了處理。

4 結(jié)語(yǔ)

彈道測(cè)試系統(tǒng)是火箭橇試驗(yàn)的核心系統(tǒng)，彈道測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性是檢驗(yàn)試驗(yàn)是否成功的重要依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證智能型測(cè)速系統(tǒng)的科學(xué)性，通過搭建一個(gè)2-3控制單元組成的控制系統(tǒng)，完成對(duì)傳感器的電源控制、信號(hào)編碼、故障定位；改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷，為今后增加傳感器鋪設(shè)密度，提高測(cè)速精度做好技術(shù)儲(chǔ)備。