某型高炮火控系統(tǒng)并行通信信號(hào)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

李玉琳，郝巨東，姜 滿，劉開源，孫偉龍

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

我軍某型自行高炮武器系統(tǒng)是我軍機(jī)械化、摩托化步兵師（團(tuán)）、裝甲師（旅）伴隨防空的主要裝備。目前，相當(dāng)一部分該型毫米自行高炮已經(jīng)到了或接近中修期，故障率普遍較高。然而，由于部隊(duì)缺乏必要的檢測(cè)診斷設(shè)備，導(dǎo)致不能及時(shí)掌握裝備的實(shí)際技術(shù)狀態(tài)，使很多故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。其后果是導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大，影響訓(xùn)練效果或使訓(xùn)練不能正常進(jìn)行。另外，對(duì)于故障裝備，部隊(duì)通常采用組合（單體）代換法來(lái)定位和修復(fù)，由于代換單體通常只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，這一方面容易損壞正常組合（單體），另一方面使得整個(gè)連套炮車的故障單體都集中到了一門炮車上，每個(gè)連套至少有一門炮車長(zhǎng)期處于故障甚至癱瘓狀態(tài)，嚴(yán)重影響了整體戰(zhàn)斗力。因此，考慮到戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急保障的實(shí)際需要，部隊(duì)隨時(shí)隨地能夠檢查、掌握本身裝備的技術(shù)狀況，加強(qiáng)部隊(duì)自身裝備保障能力建設(shè)已是迫在眉睫[1]。

通過配備的專用檢測(cè)計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)炮車火控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，達(dá)到總體性能測(cè)試的目的。然而，從本質(zhì)上看，它僅僅是利用計(jì)算機(jī)并行通信功能將火控系統(tǒng)工作中的某些參數(shù)傳遞出來(lái)，計(jì)算一些基本的誤差，繪制一些曲線供技術(shù)人員參考。它是以設(shè)計(jì)人員的身份、從系統(tǒng)調(diào)試的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)于部隊(duì)維修保障而言使用起來(lái)太過復(fù)雜[2]。

因此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)該火控系統(tǒng)中的并行通信信號(hào)在線檢測(cè)模塊，通過對(duì)火控系統(tǒng)中主要節(jié)點(diǎn)并行通信信號(hào)的在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火控系統(tǒng)的功能和性能監(jiān)測(cè)，方便部隊(duì)維修保障，為進(jìn)一步的性能測(cè)試和故障診斷打下基礎(chǔ)。

1 火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇

該型自行高炮結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)密集，主要可以分為通用底盤系統(tǒng)、火力系統(tǒng)、光電火控系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和通信導(dǎo)航系統(tǒng)等。其中，通用底盤系統(tǒng)、火力系統(tǒng)以機(jī)械部分為主，本身也有很大的通用性，所以不在研究范圍之內(nèi)。雷達(dá)系統(tǒng)雖然自身比較復(fù)雜，但是技術(shù)上和結(jié)構(gòu)上的通用性也很強(qiáng)，并且與火控系統(tǒng)之間、與通信系統(tǒng)之間的連接關(guān)系比較單一，因此，只將雷達(dá)系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)之間的接口部分納入研究范圍。而光電火控系統(tǒng)則是全新的，作為第一代自行式防空武器系統(tǒng)，其通信導(dǎo)航系統(tǒng)等也與以前大不相同，再加上全炮電氣控制系統(tǒng)等，這些分系統(tǒng)涉及單體多達(dá)30余個(gè)，信號(hào)耦合程度較深，是真正測(cè)試和故障診斷的難點(diǎn)，其光電火控系統(tǒng)原理如圖1所示。

鑒于火控系統(tǒng)的復(fù)雜性，不可能對(duì)每一個(gè)單體及其接口進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，在具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)該選擇那些關(guān)鍵的、承上啟下的、能反應(yīng)單體級(jí)以上工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)該火控系統(tǒng)采用多計(jì)算機(jī)分布式的技術(shù)特點(diǎn)，以系統(tǒng)中的專用計(jì)算機(jī)為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過它們之間的數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測(cè)獲取所需的信息，在此基礎(chǔ)上依據(jù)系統(tǒng)工作原理和這些節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)值上的關(guān)聯(lián)關(guān)系，來(lái)判定某一分系統(tǒng)或者單體的實(shí)時(shí)工作情況[3]。圖2給出了選擇的主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布情況。

圖2 主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

由于單體之間的并行通信一般需要10路通道以上，數(shù)據(jù)傳送時(shí)還必須在相應(yīng)時(shí)鐘控制下進(jìn)行，所以對(duì)并行通信信號(hào)的測(cè)試至少需要11路，如果是雙向通信則需要20多路。考慮到多點(diǎn)測(cè)試的必要性，所需路數(shù)還將成倍增加。一般而言，單路雙向測(cè)試可滿足大多數(shù)情況，此時(shí)需要至少22路。多點(diǎn)測(cè)試則通過時(shí)分方式進(jìn)行復(fù)用。通過對(duì)選取的系統(tǒng)中主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)接口信號(hào)的分析可知，主要單體之間的接口信號(hào)均為并行通信信號(hào)，如下頁(yè)表1所示。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容是對(duì)穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)、火控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和火炮隨動(dòng)系統(tǒng)等主要子系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；對(duì)火控計(jì)算機(jī)、穩(wěn)定跟蹤計(jì)算機(jī)、車體信息處理主機(jī)、隨動(dòng)控制箱、激光測(cè)距機(jī)、電視跟蹤器等主要單體通信信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)試[4]。

表1 部分主要單體待測(cè)信號(hào)表

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及信號(hào)測(cè)試接口設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作模式

整個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)主監(jiān)測(cè)模塊和若干個(gè)單體監(jiān)測(cè)模塊，單體監(jiān)測(cè)模塊可根據(jù)需要增減。各個(gè)單體監(jiān)測(cè)模塊硬件和軟件完全相同，都能完成數(shù)據(jù)采集與處理、報(bào)警、狀態(tài)顯示等功能，不同的是由于各單體的信號(hào)在信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征信息不同，所以由軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)采用不同的采集方法。各單體監(jiān)測(cè)模塊安裝在自行高炮上，無(wú)間隙監(jiān)測(cè)自行高炮火控系統(tǒng)各單體。主監(jiān)測(cè)模塊為一臺(tái)裝有監(jiān)測(cè)軟件的筆記本電腦，以串口方式與各單體監(jiān)測(cè)模塊連接。單體監(jiān)測(cè)模塊可獨(dú)立采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，發(fā)出故障報(bào)警，所有單體監(jiān)測(cè)模塊各自構(gòu)成小型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。單體監(jiān)測(cè)模塊也可在主監(jiān)測(cè)模塊的調(diào)度下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)上傳給主監(jiān)測(cè)模塊，這時(shí)單體監(jiān)測(cè)模塊變成了整個(gè)大監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分，相當(dāng)于整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。單體監(jiān)測(cè)模塊在主監(jiān)測(cè)模塊調(diào)度下工作時(shí)，主監(jiān)測(cè)模塊所調(diào)度的單體監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)量可由主監(jiān)測(cè)模塊根據(jù)需要決定，未被調(diào)度的單體監(jiān)測(cè)模塊仍自行工作[5]。監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其工作模式可以分為以下3種：

2.1.1 監(jiān)測(cè)模塊單獨(dú)工作

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)模塊可連接于需要監(jiān)測(cè)的部位，無(wú)論靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，都進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)異常，即發(fā)出報(bào)警信息，并給出詳細(xì)的出錯(cuò)信息。在單獨(dú)工作時(shí)，應(yīng)同時(shí)上報(bào)各種信息，只不過此時(shí)中心服務(wù)器（主監(jiān)測(cè)模塊）不工作。這種情況適合平時(shí)作戰(zhàn)、訓(xùn)練時(shí)使用。

2.2.2 靜止?fàn)顟B(tài)下全系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

炮車處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，對(duì)火控系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，采用多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)的手段實(shí)施，能對(duì)火控系統(tǒng)工作過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè)和分析。彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，適用于日常操作訓(xùn)練、裝備技術(shù)狀態(tài)檢查、故障檢測(cè)與診斷等。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的全系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

在炮車行進(jìn)過程中，主要限于關(guān)鍵部位狀態(tài)監(jiān)測(cè)，主要包括目標(biāo)跟蹤狀態(tài)監(jiān)測(cè)、火控計(jì)算機(jī)諸元解算過程監(jiān)測(cè)、隨動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。此時(shí)監(jiān)測(cè)的主要目的是反映裝備的整體工作狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?；蚬收稀２捎梅植际?、小型監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行，提供狀態(tài)顯示和報(bào)警功能。

2.2 測(cè)試接口設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)級(jí)和分系統(tǒng)級(jí)測(cè)試而言，主要分為性能測(cè)試和故障隔離測(cè)試。性能測(cè)試的目的是對(duì)整個(gè)火控系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試，是基于系統(tǒng)完好、工作正常條件下的測(cè)試，因此，測(cè)試點(diǎn)不需要太多，只要能滿足需要即可。但是這些測(cè)試點(diǎn)必須同時(shí)進(jìn)行采集，以保證數(shù)據(jù)的同時(shí)性。這里選擇了電視跟蹤目標(biāo)數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)、火控解算數(shù)據(jù)、隨動(dòng)控制信息、炮塔位置反饋信息。故障隔離測(cè)試時(shí)需要測(cè)試的數(shù)據(jù)更多，但是不一定非要同時(shí)測(cè)試，可以一次測(cè)試幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體視故障診斷的需要而定。

采用“信號(hào)分組，數(shù)據(jù)優(yōu)先”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的、需要同時(shí)采集的數(shù)據(jù)（目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)、解算諸元、激光距離等）分作一組，利用觸發(fā)方式優(yōu)先采集。為了減小高速采集時(shí)的數(shù)據(jù)量，配合火控系統(tǒng)固有的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序控制采集時(shí)長(zhǎng)，并根據(jù)采集對(duì)象的不同選擇相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)。對(duì)于其余的狀態(tài)信號(hào)等分為第2組，利用上述采集的間隙通過連續(xù)采集方式進(jìn)行采集。這些信號(hào)大多用來(lái)進(jìn)行裝備工作狀態(tài)、信號(hào)是否正常等的判斷（從而便于進(jìn)行單體間故障隔離）[6]。

此外，為了保持?jǐn)?shù)字采集板的工作穩(wěn)定性，所有時(shí)序控制邏輯需要的信號(hào)均由外部產(chǎn)生，避免自身相互控制可能出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)沖突。

圖4 并行信號(hào)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)試原理框圖

圖4是對(duì)跟蹤計(jì)算機(jī)輸出的目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)、激光測(cè)距機(jī)輸出的目標(biāo)距離、火控解算輸出的射擊諸元和隨動(dòng)高低、方位受信儀輸出的模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集的原理框圖[7]。在需要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)同時(shí)采集時(shí)，原理相同，只需對(duì)FPGA矩陣開關(guān)等重新配置即可。

3 測(cè)試模塊的應(yīng)用

通過并行通行信號(hào)在線測(cè)試模塊可以實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的連續(xù)數(shù)據(jù)采集與分析，在此基礎(chǔ)上就可以進(jìn)行系統(tǒng)的性能測(cè)試和技術(shù)狀態(tài)分析。

以火控計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試為例。

模擬條件下的動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)分為以下幾步：

1）將測(cè)試模塊與各主要單體對(duì)應(yīng)連接，如圖5所示。

2）炮車上，將火控控制面板上的“工作狀態(tài)”開關(guān)置于“動(dòng)態(tài)”位置，“工作方式”開關(guān)置于“主方式”位置，“戰(zhàn)斗方式”開關(guān)置于“停止”位置，“火控機(jī)模擬/全系統(tǒng)模擬”開關(guān)置于“全系統(tǒng)模擬”位置，“電視/紅外”開關(guān)置于“紅外”位置，接通目標(biāo)模擬裝置的電源以及相應(yīng)開關(guān)，啟動(dòng)火炮隨動(dòng)系統(tǒng)。

3）火控計(jì)算機(jī)內(nèi)裝置有6條典型航路和1條實(shí)際航路，在完成上述準(zhǔn)備工作后，火控控制面板上的“航路選擇”開關(guān)依次轉(zhuǎn)至1～7位置，即與上述航路相對(duì)，一般只檢查6條典型航路中的幾條就可以了。

4）在炮車上，按下鍵盤顯示器上的“復(fù)位”鍵，電視顯示器上的模擬目標(biāo)按照所選航路運(yùn)動(dòng)，炮手即可截獲半自動(dòng)跟蹤目標(biāo)，然后左腳踏下“半自動(dòng)-自動(dòng)”轉(zhuǎn)換踏板轉(zhuǎn)為自動(dòng)跟蹤目標(biāo)，電視跟蹤現(xiàn)在點(diǎn)，火炮對(duì)準(zhǔn)提前點(diǎn)，直到目標(biāo)過航后，一個(gè)航路結(jié)束。

5）測(cè)試模塊與炮車協(xié)同操作，在動(dòng)態(tài)模擬航路開始運(yùn)行時(shí)，測(cè)試模塊采集數(shù)據(jù)、記錄、數(shù)據(jù)處理。在一個(gè)模擬航路結(jié)束后讀取動(dòng)態(tài)解題值，并與動(dòng)態(tài)解題標(biāo)準(zhǔn)值相比較。

6）如果需要錄取跟蹤圖像，可啟動(dòng)錄像機(jī)和電視機(jī)。

圖5 動(dòng)態(tài)模擬精度測(cè)試連接圖

利用目標(biāo)模擬裝置模擬目標(biāo)航路數(shù)據(jù)，使火控系統(tǒng)工作在全系統(tǒng)模擬條件下。將事先設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)航路數(shù)據(jù)，按照實(shí)裝接口信號(hào)格式和時(shí)序連續(xù)地灌入實(shí)裝中[8-11]。同時(shí)，利用設(shè)計(jì)好的并行通信信號(hào)在線測(cè)試模塊實(shí)時(shí)測(cè)試火控計(jì)算機(jī)的輸出射擊諸元信號(hào)。測(cè)試完畢后，將采集得到的連續(xù)射擊諸元數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比分析，即可得出火控計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)解算性能。

圖6 火控計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果分析圖

測(cè)試結(jié)果如圖6所示，圖6給出了測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線，并給出了各自的誤差情況，總的分析結(jié)果表明火控計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)解題精度達(dá)到了系統(tǒng)的精度要求。圖6中，方位與高低解算與標(biāo)準(zhǔn)諸元基本吻合，體現(xiàn)了較高的解算精度。但是在高低諸元的解算之初，仍存在波動(dòng)的狀態(tài)曲線，說(shuō)明初始測(cè)量階段解算精度存在一定誤差。方位解算均方差與高低解算均方差為5.291，滿足測(cè)量誤差需求。

4 結(jié)論

本文以我軍現(xiàn)役某型自行高炮火控系統(tǒng)為對(duì)象，從裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了并行通信信號(hào)采集模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的同時(shí)測(cè)試。主要內(nèi)容包括：1）課題研究背景及該型自行高炮火控系統(tǒng)分析；2）該型自行高炮火控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)；3）并行信號(hào)的采集及分析。從一定程度上解決了該型自行高炮火控系統(tǒng)的精確監(jiān)測(cè)難題，具有一定的軍事應(yīng)用價(jià)值。