靶彈一體化技術(shù)支援系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(中國人民解放軍91851部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

靶彈是模擬敵方來襲導(dǎo)彈類目標(biāo)的實(shí)體靶標(biāo), 在防空兵器試驗(yàn)和部隊(duì)訓(xùn)練中發(fā)揮著重要作用[1-2]。在實(shí)戰(zhàn)化試訓(xùn)背景下，靶彈技術(shù)性能不斷升級(jí)，使用保障要求也越來越高。以往的靶彈技術(shù)支援系統(tǒng)大都按由分立設(shè)備組建，通用性差，拓展能力有限，各專業(yè)的維修保障經(jīng)驗(yàn)不能有效共享，嚴(yán)重制約著供靶保障能力和戰(zhàn)備水平的提高。

本文采用PXI總線技術(shù)和以太網(wǎng)構(gòu)建了一套性能先進(jìn)、結(jié)構(gòu)靈活、可充分重組的靶彈一體化技術(shù)支援系統(tǒng)。系統(tǒng)功能高度集成，能夠滿足測試、遙測、遙控等專業(yè)多樣化的保障需求，形成從技術(shù)準(zhǔn)備、發(fā)射供靶到訓(xùn)練效果評(píng)估的全流程技術(shù)支持能力，有效提升靶彈技術(shù)保障的水平和層次。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

靶彈工作流程可分為技術(shù)陣地準(zhǔn)備、發(fā)射陣地供靶和事后分析評(píng)估3個(gè)階段，綜合分析每個(gè)階段的特點(diǎn)與需求，系統(tǒng)應(yīng)具備以下具體功能：

1)具備靶彈平臺(tái)的測試功能；

2)具備靶彈任務(wù)設(shè)備(遙測、外測、安控)的測試功能；

3)具備遙測信號(hào)的無線接收、實(shí)時(shí)處理(挑路、顯示、輸出)及事后處理功能;

4)具備靶彈遙控功能；

5) 具備系統(tǒng)自檢、標(biāo)校、工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析功能。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用PXI系統(tǒng)開放性[3-5]的特點(diǎn)，以以太網(wǎng)(Ethernet)和PXI測控模塊為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一套實(shí)時(shí)性好、結(jié)構(gòu)靈活、數(shù)據(jù)共享的測控平臺(tái)。系統(tǒng)由綜合檢測控制臺(tái)和多個(gè)便攜式測控站構(gòu)成。綜合檢測控制臺(tái)是系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)靶彈測控、管理調(diào)度、系統(tǒng)維護(hù)等任務(wù)。便攜式測控站負(fù)責(zé)遙測信號(hào)的接收與遙控指令的發(fā)射。綜合檢測控制臺(tái)和便攜式測控站采用網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成分布式測控系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 綜合檢測控制臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1.1 綜合檢測控制臺(tái)組成及模塊選型

綜合檢測控制臺(tái)采用基于PXI體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器測控方案，由測試機(jī)箱、測試計(jì)算機(jī)、測試功能模塊、信號(hào)調(diào)理模塊等部件組成。其中測試計(jì)算機(jī)及測試功能模塊是系統(tǒng)的測量與控制中樞[6]。測試計(jì)算機(jī)選用擇NI公司的PXIe-8821嵌入式控制器。測試功能模塊提供數(shù)據(jù)采集、模擬量輸出、開關(guān)量電平判斷、開關(guān)量輸出、串口通信等具體測控功能，各類測試資源[7]如表1所示。

表1 綜合檢測控制臺(tái)測試資源列表

2.1.2 測試機(jī)箱設(shè)計(jì)

測試機(jī)箱采用垂直插卡結(jié)構(gòu)和背板定制化設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)模塊、測試功能模塊、信號(hào)調(diào)理模塊均采取帶助拔器的機(jī)構(gòu)形式，插入機(jī)箱對應(yīng)槽位與背板連接，并通過插拔器與橫梁鎖緊。這種連接方式結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便、具有良好的電氣機(jī)械性能和高可靠性。綜合檢測控制臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合檢測控制臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

為保證測試機(jī)箱具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，將發(fā)熱量大的模塊布置在外層，通過機(jī)箱殼體傳導(dǎo)散熱，同時(shí)選擇風(fēng)扇進(jìn)行散熱。根據(jù)PXI規(guī)范的要求，風(fēng)流必須是由下往上散熱[8-9]，所以將風(fēng)扇配置于機(jī)箱上方，采取向外抽風(fēng)的設(shè)計(jì)。綜合檢測控制臺(tái)散熱模型如圖3所示。

2.1.3 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

由于靶彈平臺(tái)及任務(wù)設(shè)備輸入/輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，動(dòng)作時(shí)序要求極為苛刻，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重視各種測控信號(hào)的調(diào)理適配。嚴(yán)格保持與靶彈全備(各任務(wù)設(shè)備均加載)狀態(tài)良好的電氣接口匹配，決不容許對靶彈系統(tǒng)及運(yùn)行參數(shù)產(chǎn)生不良影響。所有開關(guān)量輸入信號(hào)全部采用光電方式隔離；所有開關(guān)量(指令信號(hào))輸出信號(hào)全部采用繼電器方式隔離；模擬量采集模塊選用雙端差動(dòng)輸入，實(shí)現(xiàn)設(shè)備地線與外部地線的隔離；模擬量輸出模塊采用由被試對象提供電源的差動(dòng)運(yùn)算放大器輸出，實(shí)現(xiàn)設(shè)備地線與外部地線的隔離。

1)模擬量輸入信號(hào)調(diào)理：模擬量輸入信號(hào)的幅值與類型各有不同。交流信號(hào)有兩相115 V和三相36 V兩路。直流信號(hào)有12路，幅值范圍分別為+5 V、±15 V、±30 V、+50 V。模擬量采集模塊PXI-6229的采集范圍是DC±10 V，超出此范圍的信號(hào)會(huì)給模塊造成不可逆的損壞。

確保檢測安全，對于交流信號(hào)，系統(tǒng)首先進(jìn)行檢波，將其轉(zhuǎn)換成10 V以內(nèi)的直流信號(hào)然后再進(jìn)行采集，交流輸入信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。對于輸入信號(hào)范圍在±10 V以內(nèi)的直流信號(hào)，由射隨器跟隨處理后直接進(jìn)行采集；對于超過量程范圍的直流信號(hào)，高精度運(yùn)放分壓后再進(jìn)行采集，匹配電阻選用1‰精度，累計(jì)誤差不大于0.5%。直流輸入信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。

圖4 交流輸入信號(hào)調(diào)理電路示意圖

圖5 直流輸入信號(hào)調(diào)理電路示意圖

2)模擬量輸出信號(hào)調(diào)理:模擬量輸出信號(hào)采用兩種調(diào)理方式，對于輸出電壓小于DC10 V的信號(hào)，由PXIe-6738模塊輸出后經(jīng)運(yùn)放跟隨輸出。對于大于DC10 V的電壓信號(hào)采取高精度運(yùn)放分壓后進(jìn)行放大，匹配電阻選用1‰精度，累計(jì)誤差不大于0.5%。

3)開關(guān)量檢測信號(hào)調(diào)理：開關(guān)量輸入信號(hào)有+27 V/懸空和地/懸空兩種類型，在信號(hào)調(diào)理時(shí)+27 V/懸空信號(hào)連接到高有效采集通道，地/懸空信號(hào)連接到低有效采集通道。開關(guān)量檢測模塊PXI-6528輸入范圍為±60 VDC，將外部電平信號(hào)經(jīng)限流電阻后可直接與模塊相應(yīng)端口相連。

4)開關(guān)量輸出信號(hào)調(diào)理：開關(guān)量輸出信號(hào)分為懸空→+27 V、懸空→地、地→+27 V三種類型，在信號(hào)調(diào)理時(shí)繼電器輸出模塊PXI-2566的常開/常閉觸點(diǎn)上連接相應(yīng)形式的信號(hào)，通過繼電器切換可輸出需要的開關(guān)電平。開關(guān)量輸出信號(hào)調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 開關(guān)量輸出信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)示意圖

2.2 便攜式測控站設(shè)計(jì)

便攜式測控站以超大規(guī)模FPGA器件為核心搭建，由計(jì)算機(jī)模塊、接收機(jī)模塊、PCM模塊、安控指令發(fā)射模塊、天線及放大模塊等組成，包括下行和上行兩個(gè)鏈路。其下行鏈路是：靶彈遙測信號(hào)由天線接收并進(jìn)行低噪聲放大；放大后的信號(hào)由接收機(jī)模塊將載波頻率下變頻為70 MHz后輸入到PCM模塊；PCM模塊完成中頻接收、信號(hào)解調(diào)及位同步，同步后的信號(hào)通過以太網(wǎng)傳送到綜合檢測控制臺(tái)，進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)及事后處理。其上行鏈路是：安控指令發(fā)射模塊產(chǎn)生安控發(fā)射信號(hào)，經(jīng)安控功放實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大后接入天線向靶彈發(fā)射安控指令。便攜式測控站工作鏈路如圖7所示。

圖7 便攜式測控站工作鏈路示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用Windows 7操作系統(tǒng)和Labwndows/CVI軟件構(gòu)建了一個(gè)數(shù)據(jù)共享的軟件平臺(tái)。系統(tǒng)應(yīng)用軟件劃分為靶彈使用維護(hù)數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)功能軟件和系統(tǒng)主控軟件三大部分。靶彈使用維護(hù)數(shù)據(jù)庫用于保存管理靶彈壽命周期中所需的各種數(shù)據(jù)信息；系統(tǒng)功能軟件用于實(shí)現(xiàn)具體的測量控制功能；系統(tǒng)主控軟件是個(gè)通用性很強(qiáng)的控制程序，用于人機(jī)對話以及靶彈使用維護(hù)數(shù)據(jù)庫與各功能軟件之間的交互，實(shí)現(xiàn)基于信息的程序管理與調(diào)度。其中，系統(tǒng)功能軟件是系統(tǒng)應(yīng)用軟件的主體，主要包括有線測量與控制軟件、遙測與遙控軟件、系統(tǒng)自檢與維護(hù)軟件三部分。

3.2 有線測量與控制軟件設(shè)計(jì)

有線測量與控制軟件主要負(fù)責(zé)靶彈在技術(shù)陣地的有線檢測和維修保障。被測靶彈系統(tǒng)與綜合檢測控制臺(tái)采用測試電纜連接，有線測量與控制軟件調(diào)用PXI測控功能模塊向靶彈輸出激勵(lì)信號(hào)并檢測反饋信號(hào)，以此判斷被測靶彈是否正常。激勵(lì)信號(hào)和反饋信號(hào)包括模擬量、開關(guān)量和數(shù)字量。檢測項(xiàng)目包括靶彈靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試。

3.2.1 靶彈靜態(tài)測試

靶彈靜態(tài)測試包括靶彈各分系統(tǒng)(電氣、飛控、安控等)的單元測試。在靜態(tài)測試中，僅被測分系統(tǒng)加電工作，靶彈其他系統(tǒng)并不運(yùn)行。靜態(tài)測試界面一般可分為3個(gè)區(qū)域：測試數(shù)據(jù)表格區(qū)域、測試進(jìn)程提示區(qū)域和測試狀態(tài)說明區(qū)域。

測試表格區(qū)域包括測試序號(hào)、測試項(xiàng)目、技術(shù)條件、實(shí)測值和結(jié)果判斷5個(gè)列表項(xiàng)。測試進(jìn)程提示區(qū)域給出了測試中的一些主要步驟(包括各種讀寫信號(hào)操作以及必要的測試過程說明等)。測試狀態(tài)說明區(qū)域告知操作者測試過程進(jìn)行的時(shí)間、已測試的項(xiàng)目數(shù)量、正確和錯(cuò)誤的項(xiàng)目數(shù)量等測試信息。測試數(shù)據(jù)表格和測試進(jìn)程提示兩個(gè)區(qū)域采用滾屏顯示，超出屏幕顯示范圍的部分可通過滾動(dòng)條的拖拽來查看。為了對自動(dòng)測試過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行精確定位，每個(gè)自動(dòng)測試過程均有對應(yīng)的手動(dòng)測試功能。

3.2.2 靶彈動(dòng)態(tài)測試

與靜態(tài)測試相比，靶彈動(dòng)態(tài)測試不只局限于測試某些定點(diǎn)的輸出值，而是面向線和面，對被測靶彈系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行檢測與分析。因此靶彈動(dòng)態(tài)檢測包含更多的測試信息，更利于精確評(píng)價(jià)分析靶彈系統(tǒng)的性能和進(jìn)行故障診斷。

在靶彈動(dòng)態(tài)測試中，有線測量與控制軟件首先向靶彈裝訂飛控參數(shù)與安控管道，然后發(fā)出模擬起飛指令，表征靶彈已離軌起飛。在發(fā)出模擬起飛指令的同時(shí)，控制數(shù)字通信模塊PXI-8431/8產(chǎn)生靶彈位置信息串行數(shù)據(jù)，模擬靶彈正常彈道和左偏、右偏等錯(cuò)誤彈道(彈道形態(tài)如圖8所示)，代替彈上GPS/北斗接收機(jī)的真實(shí)位置信號(hào)輸出至靶彈控制系統(tǒng)，可檢測靶彈在不同彈道形態(tài)下的飛行控制和安全控制是否正常，實(shí)現(xiàn)靶彈系統(tǒng)的模擬飛行測試[10]。

圖8 靶彈動(dòng)態(tài)測試彈道形態(tài)示意圖

3.3 遙測與遙控軟件設(shè)計(jì)

遙測與遙控軟件主要負(fù)責(zé)靶彈在發(fā)射陣地的無線測控和供靶保障。靶彈的遙控與遙控由綜合檢測控制臺(tái)和各便攜式測控站聯(lián)合完成。綜合檢測控制臺(tái)通過以太網(wǎng)向測控站發(fā)送測控任務(wù)指令，各測控站接受任務(wù)后，遙控靶彈系統(tǒng)加電工作并接收靶彈系統(tǒng)下傳的工作數(shù)據(jù)，回傳給綜合檢測控制臺(tái)。綜合檢測控制臺(tái)將測控站傳來的遙測原始數(shù)據(jù)，采用挑路、組合和計(jì)算等方式形成關(guān)鍵參數(shù)(例如靶彈姿態(tài)、航跡、高度、經(jīng)度、緯度、距離等)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，用于供靶飛行時(shí)的狀態(tài)監(jiān)視與安控控制。在實(shí)時(shí)顯示的同時(shí)，遙測與遙控軟件還對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行不丟幀存儲(chǔ)，用于事后處理。遙測與遙控軟件工作流程如圖9所示，便攜式遙測站工作流程如圖10所示。

圖9 遙測與遙控軟件任務(wù)配置流程圖

圖10 便攜式遙測站執(zhí)行任務(wù)流程圖

3.4 自檢與標(biāo)校軟件設(shè)計(jì)

自檢與標(biāo)校軟件包括自檢模塊和標(biāo)校模塊。自檢模塊主要檢查系統(tǒng)狀態(tài)是否正常，表征系統(tǒng)是否可以加電工作；標(biāo)校模塊主要完成對電源、電壓采集、電壓輸出等測量控制功能的校準(zhǔn)，確保系統(tǒng)的測試精度和可信度。

綜合檢測控制臺(tái)自檢時(shí)，將模擬輸出與采集、開關(guān)量輸出與檢測、每組422串口輸入與輸出閉環(huán)，對比輸出數(shù)據(jù)與與測量數(shù)據(jù)是否一致。便攜式測控站自檢時(shí)，自動(dòng)生成基帶信號(hào)由遙測信號(hào)的接收端接收該信號(hào)，經(jīng)過解調(diào)、分析和數(shù)據(jù)的事后比對處理，完成遙測通道的自檢；發(fā)送遙控指令被回采經(jīng)解調(diào)后與發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)遙控通道的自檢。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

在聯(lián)調(diào)測試和試運(yùn)行過程中，該系統(tǒng)在設(shè)備數(shù)量減少一半、操作人員減少三分之一的情況下，使靶彈技術(shù)準(zhǔn)備與維護(hù)時(shí)間縮短30%，人工參與環(huán)節(jié)減少65%，測試精度高，可靠性好。

4 結(jié)束語

本文采用LXI總線和以太網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一套性能先進(jìn)、結(jié)構(gòu)靈活的靶彈一體化技術(shù)支援系統(tǒng)靶載干擾機(jī)綜合保障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了靶載平臺(tái)和任務(wù)設(shè)備的自動(dòng)測試與維護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用LXI總線技術(shù)構(gòu)建一體化綜合保障系統(tǒng)，符合靶彈測試維護(hù)的客觀要求，有利于提升靶彈的綜合保障水平，實(shí)際應(yīng)用意義較大。