飛控動基座對準(zhǔn)性能桌面測試系統(tǒng)設(shè)計*

許飛，袁杰波，田若思，丁小芩，榮婉婷

(1.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

常見的導(dǎo)彈初始對準(zhǔn)方法有自對準(zhǔn)、靜基座對準(zhǔn)、動基座對準(zhǔn)等，隨著有移動發(fā)射需求的空空導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈的加速發(fā)展，應(yīng)用于各種場景下的動基座對準(zhǔn)方法成為了研究熱點[1]。相較于其他的對準(zhǔn)方法，動基座對準(zhǔn)需要外部信息進(jìn)行輔助，且外部信息和子慣導(dǎo)信息都隨環(huán)境變化[2]，對準(zhǔn)工作時序復(fù)雜，對準(zhǔn)和導(dǎo)航過程中需監(jiān)測的量時間分布較為分散，因此，桌面級動基座對準(zhǔn)性能測試無法覆蓋系統(tǒng)動態(tài)的過程。基于桌面測試環(huán)境下，對飛控軟件狀態(tài)驗證不到位，只能帶著問題系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，增加了系統(tǒng)級問題分析復(fù)雜性和飛控軟件反復(fù)次數(shù)，導(dǎo)彈研制進(jìn)度較慢。本文針對動基座對準(zhǔn)特性和桌面測試現(xiàn)狀，整合現(xiàn)有測試流程，基于MFC，Matlab技術(shù)，研制了飛控動基座對準(zhǔn)性能桌面測試系統(tǒng)，實現(xiàn)首次收斂時間測試、收斂品質(zhì)測試、導(dǎo)航誤差測試等功能，且具備擴(kuò)展能力，通過適應(yīng)性更改軟件，對各型飛控動基座軟件進(jìn)行桌面測試，實現(xiàn)測試平臺通用化[3]。

1 動基座對準(zhǔn)性能桌面測試方法分析

動基座對準(zhǔn)需要配備主慣導(dǎo)和子慣導(dǎo)2個系統(tǒng)進(jìn)行傳遞對準(zhǔn)，它是一種特殊的對準(zhǔn)方式，由外部信息(主慣導(dǎo))輔助，導(dǎo)彈上的子慣導(dǎo)利用已對準(zhǔn)好的主慣導(dǎo)信息進(jìn)行對準(zhǔn)校正。主慣導(dǎo)傳遞給子慣導(dǎo)的姿態(tài)、速度、位置等信息，由于安裝誤差、載體形變等因素[4]，存在一定的失準(zhǔn)角，需要動基座對準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型通過一定的濾波方式估計失準(zhǔn)角，對子慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)進(jìn)行修正[5]。動基座對準(zhǔn)的性能可通過如下測試進(jìn)行評判。

1.1 首次收斂時間測試

飛控軟件中有動基座對準(zhǔn)實時收斂標(biāo)志字、周期性重置濾波器后收斂標(biāo)志字、運行過程中從未收斂標(biāo)志字，桌面測試平臺通過監(jiān)測實時收斂標(biāo)志字首次置1的時間，即可得知導(dǎo)彈動基座對準(zhǔn)首次收斂的時間[6]。在收斂品質(zhì)一樣時，首次收斂時間越小越好。

1.2 動基座對準(zhǔn)工作時序測試

飛控動基座對準(zhǔn)分支運行一拍后，姿態(tài)角會被刷新，桌面測試系統(tǒng)監(jiān)測導(dǎo)彈姿態(tài)角第1次變?yōu)榉?，記為動基座開啟時間。飛控軟件運行過程中，會有導(dǎo)彈運行狀態(tài)返回，桌面測試系統(tǒng)監(jiān)測該狀態(tài)字可得知飛控動基座對準(zhǔn)工作時序是否運行正常。

1.3 收斂品質(zhì)評估

取導(dǎo)彈狀態(tài)變量為

X=(δvn,δve,?n,?u,?e).

(1)

狀態(tài)方程為

(2)

式中：F為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；W為系統(tǒng)噪聲陣。

觀測方程為

Z=HX+V,

(3)

式中:

(4)

濾波過程如下：

P=ΦPΦT+Qk,

(5)

K=PHT[HPHT+R]-1,

(6)

X=ΦX+K[Z-HΦX],

(7)

P=[I-KH]P[I-KH]T+KRKT.

(8)

在重置濾波器前，失準(zhǔn)角誤差矩陣P中的敏感值絕對值應(yīng)該有變小趨勢且趨于穩(wěn)定，查看失準(zhǔn)角標(biāo)準(zhǔn)差判定導(dǎo)彈動基座對準(zhǔn)品質(zhì)[7]。

1.4 導(dǎo)航誤差測試

模擬發(fā)控通訊封鎖后，給飛控裝訂初始導(dǎo)航參數(shù)，飛控根據(jù)動基座對準(zhǔn)結(jié)果開始捷聯(lián)解算，模擬IMU以封鎖時刻的姿態(tài)，保持靜止、靜止情況加高斯白噪聲的狀態(tài)下導(dǎo)航100 s，分別判斷導(dǎo)彈飛行的距離，測試導(dǎo)彈導(dǎo)航誤差[8]，導(dǎo)航誤差越小越好。

2 動基座對準(zhǔn)性能桌面測試系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 桌面測試系統(tǒng)總體方案

飛控動基座對準(zhǔn)性能桌面測試系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成，硬件包括：飛控設(shè)備、電氣轉(zhuǎn)接箱、模型計算機(jī)、模擬發(fā)控計算機(jī)、電源、配套電纜，軟件平臺包括模型機(jī)軟件、模擬發(fā)控軟件、遙測接收分析軟件。桌面測試系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

圖1 桌面測試系統(tǒng)總體方案框圖Fig.1 Desktop test system overall solution block diagram

電氣轉(zhuǎn)接箱通過2根測試總線與飛行控制設(shè)備相連，完成飛控的供電和各個外設(shè)的連接；與模型機(jī)設(shè)備通過2路422總線連接，完成飛行過程中慣測量和導(dǎo)引頭的模擬數(shù)據(jù)收發(fā)；與模擬發(fā)控設(shè)備通過1路422總線連接，模擬發(fā)射裝置的發(fā)控流程，完成導(dǎo)彈初始參數(shù)裝訂；模型基設(shè)備和模擬發(fā)控設(shè)備之間通過1路422總線連接，完成同步信號的收發(fā)，使得裝訂數(shù)據(jù)與慣測量的變化同步；除飛控以外的各個設(shè)備外界交流電源進(jìn)行供電。本文重點介紹軟件平臺。

2.2 桌面測試系統(tǒng)軟件方案

2.2.1 軟件功能概述

根據(jù)系統(tǒng)功能定義，充分考慮多平臺融合、簡化使用流程和強實時性的需求，選用MFC作為軟件開發(fā)平臺，Matlab數(shù)字仿真過程封裝成dll庫作為被調(diào)用對象，連接SQL數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生供桌面仿真使用的目標(biāo)數(shù)據(jù)。MFC是微軟提供的基于C++語言的軟件開發(fā)基礎(chǔ)類庫，支持圖形、接口通信、數(shù)據(jù)庫、多線程等高級開發(fā)應(yīng)用，便于設(shè)計人員二次開發(fā)[9]。Matlab擁有豐富的優(yōu)化、計算工具，擅長于做復(fù)雜的矩陣運算。MFC和Matlab之間的混合編程，將綜合MFC可視化編程和Matlab數(shù)值計算的優(yōu)勢[10]，提高桌面測試系統(tǒng)軟件的開發(fā)效率，縮短研發(fā)周期。同時，規(guī)定好dll庫的調(diào)用接口后，不同型號間只需更換數(shù)字仿真過程即可測試，易于實現(xiàn)開發(fā)平臺的通用化。軟件整體框架如圖2所示。

2.2.2 軟件設(shè)計要求

桌面測試系統(tǒng)軟件根據(jù)配置的導(dǎo)彈發(fā)射裝置初始位置和姿態(tài)、轉(zhuǎn)動角速度、運行速度、桿臂長度、封鎖發(fā)控時間、模擬飛行時間、是否有高斯白噪聲，實時仿真模擬發(fā)控和模擬IMU的輸出全過程，生成2個獨立的數(shù)據(jù)庫，供模擬發(fā)控和模擬IMU調(diào)用。模擬發(fā)控動態(tài)完成飛控參數(shù)裝訂，模擬IMU實時輸出導(dǎo)彈的慣測數(shù)據(jù)，測試飛控動基座對準(zhǔn)軟件功能和性能。具體軟件功能要求如下：

圖2 測試平臺軟件執(zhí)行框圖Fig.2 Test platform software execution block diagram

(2) 仿真初始化：響應(yīng)仿真初始化命令，Matlab讀入界面配置的仿真參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)資源分配、創(chuàng)建仿真進(jìn)程、初始化輸出文件。

(3) 仿真進(jìn)程調(diào)度：響應(yīng)仿真開始、仿真結(jié)束等界面控制命令，完成主慣導(dǎo)、子慣導(dǎo)運動姿態(tài)和位置等參數(shù)的動態(tài)仿真[12]。

(4) 數(shù)據(jù)庫文件生成：將主慣導(dǎo)、子慣導(dǎo)動態(tài)仿真出的數(shù)據(jù)按指定格式存進(jìn)數(shù)據(jù)庫。

(5) 人機(jī)界面交互：實時顯示發(fā)射裝置和導(dǎo)彈狀態(tài)，響應(yīng)人機(jī)交互設(shè)置、發(fā)射裝置運行狀態(tài)參數(shù)設(shè)置。

(6) 數(shù)據(jù)加載：點完開始測試按鈕，模擬發(fā)控和模擬IMU軟件需要實時加載仿真生成的數(shù)據(jù)庫，按照指定的周期逐行給飛控發(fā)送數(shù)據(jù)。

(7) 通信同步：根據(jù)作戰(zhàn)時發(fā)控、IMU與飛控通信的真實時序，同步兩者首次與飛控建立通信的時間。

(8) 長時穩(wěn)定通信：模擬發(fā)控和模擬IMU軟件要嚴(yán)格按照配置的周期、封鎖時間與導(dǎo)彈飛控進(jìn)行長時間的422總線通信。

(9) 數(shù)據(jù)記錄與分析：測試開始后實時記錄飛控的遙測數(shù)據(jù)，對測試敏感信息進(jìn)行分析，得出結(jié)論。

我國的產(chǎn)融結(jié)合呈現(xiàn)三大特點：一是結(jié)合方向單向性，因現(xiàn)行金融法規(guī)限制，我國都是產(chǎn)業(yè)資本向金融資本單向流動；二是結(jié)合方式多樣性，受各地市場發(fā)展不平衡、企業(yè)發(fā)展階段不一致影響，我國從初級的產(chǎn)融結(jié)合到系統(tǒng)的金融控股公司均存在；三是運作主體規(guī)范性，我國幾乎是大型企業(yè)、龍頭企業(yè)、優(yōu)勢企業(yè)先行開展產(chǎn)融結(jié)合業(yè)務(wù)。

(10) 異步多線程執(zhí)行：將硬件通信、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)界面刷等新分別建立線程，提高CPU利用效率。

2.2.3 關(guān)鍵設(shè)計說明

針對圖2的軟件整體執(zhí)行框圖，重點介紹Matlab操作SQL數(shù)據(jù)庫、MFC程序調(diào)用Matlab仿真生成的dll、模擬發(fā)控和模擬IMU通信同步、周期控制、多線程異步執(zhí)行。

(1) Matlab要連接數(shù)據(jù)庫，必須使用JDBC/ODBC Bridge。用C/C++語言將JDBC調(diào)用轉(zhuǎn)換為ODBC APIS，送給待訪問的數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的ODBC驅(qū)動程序，其連接過程如圖3所示[13]。Matlab對數(shù)據(jù)庫SQL的操作，可以先獲取數(shù)據(jù)庫句柄，然后調(diào)用Matlab函數(shù)進(jìn)行操作，Matlab常用的數(shù)據(jù)庫操作有exec,ping,insert,close,database,get,set,update,rows,cols等[14]。Matlab程序界面通過設(shè)置數(shù)據(jù)庫保存路徑、文件名、用戶名、密碼、仿真時間(封鎖時間)即可得到目標(biāo)數(shù)據(jù)庫。此外，由于數(shù)據(jù)庫訪問具有遠(yuǎn)程訪問功能，可直接將數(shù)據(jù)庫保存到各自待運行的仿真宿主機(jī)上，實現(xiàn)了仿真軟件多臺運行機(jī)器之間的一體化操作。

(2) Matlab可編寫2種m文件：腳本文件、函數(shù)文件。腳本文件由一系列變量和函數(shù)組成，沒有輸入輸出參數(shù)，可直接運行，但無法被轉(zhuǎn)換為dll。而函數(shù)文件擁有輸入輸出參數(shù)和返回值，只需給待調(diào)用的腳本文件加一個函數(shù)名，通過Matlab代碼編譯器mcc創(chuàng)建基于C/C++的dll，本測試系統(tǒng)軟件采用函數(shù)文件編寫Matlab數(shù)字仿真過程，實現(xiàn)dll轉(zhuǎn)換較為方便[15]。MFC程序調(diào)用Matlab代碼生成的dll，可選用Matlab開發(fā)平臺提供的mbuild工具編譯鏈接，也可在IDE開發(fā)環(huán)境下使用MSVC工具來編譯鏈接。考慮到軟件的可繼承性、通用性的原則，本測試系統(tǒng)軟件選用MSVC，在VC中添加Matlab安裝路徑和Lib路徑，編寫調(diào)用dll的驅(qū)動代碼，即可完成MFC程序調(diào)用數(shù)字仿真生成的dll。

(3) 動態(tài)測試系統(tǒng)要想讓發(fā)控裝訂的戰(zhàn)車信息和模型機(jī)產(chǎn)生的慣測數(shù)據(jù)達(dá)到動態(tài)匹配，必須使2個軟件在時間上達(dá)到同步。因此，模型機(jī)開啟后先給模擬發(fā)控發(fā)送4字節(jié)同步幀，收到回復(fù)后再給飛控發(fā)送格式如表1所示的數(shù)據(jù)幀。模擬發(fā)控軟件啟動后，循環(huán)檢測同步字節(jié)，匹配后才給飛行控制設(shè)備發(fā)送運行令。在實際測試時，先打開模擬發(fā)控軟件，然后打開模型機(jī)軟件，動態(tài)測試軟件的操作流程如圖4所示。

圖3 Matlab與數(shù)據(jù)庫連接Fig.3 Matlab and database connection

表1 模型機(jī)422通信格式Table 1 Model machine 422 communication format

圖4 動態(tài)測試軟件操作流程Fig.4 Dynamic test software operation process

(4) 桌面仿真軟件與飛控的RS-422通信都是按照固定的周期進(jìn)行的，具體周期控制流程圖如圖5所示。進(jìn)入循環(huán)發(fā)送之前記下上一拍計數(shù)器的拍數(shù)，然后實時比對當(dāng)前計數(shù)器的拍數(shù)，直到達(dá)到分頻后的頻率值再進(jìn)行RS-422通信，更新上一拍的拍數(shù)到當(dāng)前拍數(shù)。在示波器上觀測分頻后RS-422通信頻率，用1 ms的延時函數(shù)修正周期差值。對于模擬IMU軟件，定時部分建在RS-422發(fā)送進(jìn)程中。對于模擬發(fā)控軟件，定時部分建在發(fā)控流程線程中。

圖5 仿真軟件周期控制流程圖Fig.5 Simulation software cycle control flow chart

(5) 考慮桌面測試系統(tǒng)軟件涉及到RS-422的收發(fā)通信、模型解算、發(fā)控流程處理、窗口顯示刷新等速率不一的流程，若程序采用單線程順序執(zhí)行，CPU大部分時間都在死等，窗口將不能流暢的更新狀態(tài)。因此，軟件采用異步多線程方式進(jìn)行編程，采用如圖6的模擬IMU結(jié)構(gòu)圖和如圖7的模擬發(fā)控結(jié)構(gòu)圖。

3 系統(tǒng)應(yīng)用驗證舉例

為了驗證測試仿真平臺的正確性，選擇了成熟的飛控軟件和數(shù)字仿真原Matlab代碼，仿真測試導(dǎo)彈靜止發(fā)射和以20 m/s勻速前進(jìn)發(fā)射的情況。測試結(jié)果顯示，首次收斂時間均小于5 s，在失準(zhǔn)角值趨于穩(wěn)定前一段時間值較大，是由于卡爾曼濾波還未收斂，屬于正?，F(xiàn)象。首次收斂前，靜止發(fā)射時北向、東向失準(zhǔn)角標(biāo)準(zhǔn)差為0.041°,0.039°，勻速前進(jìn)發(fā)射兩向失準(zhǔn)角均方差為0.076°,0.059°，2種方式的100 s靜止導(dǎo)航誤差均小于60 m，與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)結(jié)果符合,見圖8,9。

圖6 模型機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Model machine structure diagram

圖7 模擬發(fā)控結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Analog control structure diagram

圖8 靜止發(fā)射失準(zhǔn)角Fig.8 Static emission misalignment angle

圖9 勻速前進(jìn)發(fā)射失準(zhǔn)角Fig.9 Uniform forward launch misalignment angle

4 結(jié)束語

本文以動基座對準(zhǔn)研究為背景，提出了一種飛控動基座對準(zhǔn)性能桌面測試系統(tǒng)設(shè)計，并對測試方法、系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行探討，得出測試結(jié)論。在系統(tǒng)軟件設(shè)計方面，分別對軟件功能、設(shè)計要求、關(guān)鍵設(shè)計進(jìn)行介紹，通過MFC調(diào)用Matlab生成的數(shù)字仿真dll實現(xiàn)平臺通用化。相較于傳統(tǒng)的桌面靜態(tài)測試系統(tǒng)，此桌面測試系統(tǒng)能夠仿真導(dǎo)彈發(fā)射的動態(tài)過程，對飛控軟件動基座功能和性能的驗證更全面，提高了飛控軟件研制效率，降低系統(tǒng)調(diào)試成本，在涉及桌面動態(tài)仿真驗證領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值。