鱼雷武器控制系统半实物仿真系统设计与实现

2012-07-02孔德永

兵器装备工程学报 2012年6期

孔德永

(湖北经济学院电子工程系，武汉 430205)

仿真技术(包括数学仿真和半实物仿真)在武器系统领域的应用已经十分广泛和成熟。对于鱼雷武器的控制系统来说，数学仿真可以从理论上验证控制系统在各种干扰条件下的稳定性、准确性和鲁棒性，揭示各种干扰因素对控制系统的影响;而半实物仿真则将真实设备作为参试单元，充分模拟和考核控制系统在真实状态下的工作性能、工作流程以及可靠性，二者相辅相成，共同完成控制系统的地面试验。通过充分、充足的地面试验，可为控制系统的成功研制打下坚实的基础［1］。

鱼雷控制系统主要具有3 个基本方面的功能:①控制鱼雷稳定航行，即按程序弹道完成鱼雷的稳定控制;②与自导装置组成制导回路，完成鱼雷对目标的搜索及跟踪;③对于线导鱼雷来说，还可与线导系统组成线导导引大回路，由艇上发控台完成对鱼雷的线导导引。其作战流程如图1 所示，主要功能概述如下［2-3］。

1)射前准备。系统上电后，自动开始自检、接收艇型管号信息，向发射艇回复、接收艇上的导航参数并完成雷上惯导系统的初始对准。若对准工作正常，在上电后xx 时间内，向发射艇回复“惯导调平正常”信息;

2)接收、存储由发射艇通过预设定电缆发送的预设定信息，并回送给发射艇，完成预设定功能;

3)完成雷内各子系统的自检，并将自检结果回送给发射艇;

4)在鱼雷发射前协调并控制雷内各子系统的动作;

5)鱼雷发射后控制鱼雷安全脱离发射平台、进行初始机动以保证雷艇安全分离;

6)鱼雷航行过程中保证鱼雷在3 个通道上稳定独立地工作，纵仰通道具有定深控制及俯仰角控制功能，偏航通道具有偏航角控制及偏航角速率控制功能，滚动通道具有自稳定功能;

7)对于线导鱼雷来说，具有按线导遥控指令改变鱼雷航向角及改变航行深度的能力;

8)自导系统开机前，允许发射艇通过遥控指令进行自导反潜反舰通道的切换;

9)在自导搜索和线导导引段，控制鱼雷运动的滚动角及航行深度，保证鱼雷弹道快速平稳以及安全航行;

10)自导导引过程中，接收自导系统给出的目标信息，按照反潜算法或反舰算法控制自导系统的工作状态，操纵鱼雷运动完成对目标的跟踪弹道;

11)控制触发引信及非触发引信的工作状况及保险解除;

12)控制发动机的点火时刻及速制改变;

13)解算鱼雷运动过程中的雷位信息及运动参数，分别送给线导系统及内测系统;

14)具有安全保护算法，保证在初始机动及自导导引过程中发射艇的安全;

15)对操雷来说，具有反潜靶前规避、过靶停车及反舰规避功能。

1 仿真系统组成

根据鱼雷制导控制系统的组成和功能，设计如图2 所示的鱼雷控制系统半实物仿真系统。系统主要包括发射平台模块、目标模块、自导系统模块和鱼雷控制系统模块，这4 个模块分别与鱼雷控制系统工作环境中的各实体相对应，并完成实体所具备的功能。此外，还设计了一个仿真服务器模块，作为系统的人机交互接口，主要负责对系统其余各模块进行管理和控制，并在系统进行仿真时协调各模块之间的动作，从而完成系统所设计的功能。

1)仿真服务器模块，主要按照预先制定的作战想定完成半实物仿真系统的初始化，在仿真过程中作为白方，负责显示整个仿真过程，并在仿真结束后对整个作战过程进行作战效能评估。

2)发射平台模块，接收仿真服务器设定的发射平台初始运动信息，并根据目标与自身相对位置关系进行自身弹道解算，模拟发射平台对目标的攻击过程，在确定发射鱼雷时模拟完成鱼雷武器的射前准备过程(包括对鱼雷上电、自检、发送艇型管号信息、发送惯导调平参数、发送及检查预设定参数信息)，发射线导鱼雷后模拟线导导引功能(和鱼雷进行遥控遥测信息交换)，在接收到鱼雷爆炸信息后根据爆炸点距离自身位置、爆炸威力进行自身毁伤计算，并发布自身状态信息(完好、部分毁伤、毁伤)。

3)目标模块，接收仿真服务器设定的目标初始化信息后进行自身弹道解算，模拟目标的运动过程。仿真过程中考虑简单的情况，即目标作匀速直线运动，不考虑目标的机动和规避。在接收到鱼雷爆炸信息后根据爆炸点距离自身位置、爆炸威力进行自身毁伤计算，并发布自身状态信息(完好、部分毁伤、毁伤)。

图1 鱼雷武器作战流程

图2 鱼雷控制系统半实物仿真系统组成

4)鱼雷控制系统模块，主要负责对鱼雷的作战过程进行模拟，包括鱼雷武器的射前准备过程模拟和鱼雷发射出管后的弹道仿真。与发射平台的射前准备相对应，控制系统的射前准备模拟也包括上电、自检、艇型管号信息、惯导调平、预设定等过程，对于线导鱼雷来说还包括线导自检。出管后的弹道仿真包括:初始机动弹道、线导导引弹道(对于线导雷来说)、直航弹道、声自导搜索弹道、声自导跟踪弹道、尾流自导导引弹道等的仿真。

5)自导系统模块，负责在弹道仿真时对鱼雷自导系统进行模拟，即模拟鱼雷自导系统将探测到的目标数据信息传递给鱼雷控制系统。

2 关键技术

2.1 时空一致性

在半实物仿真系统的实现过程中，时空一致性一直是其难点和重点。为了保证空间的一致性，要求目标、发射平台、鱼雷在对外进行数据交互，发布自身信息时位置参数一律统一到地理(导航)坐标系(东北天)中，在仿真服务器进行初始化设置时也采用地理坐标系，在仿真进行中，仿真成员在接收到其他仿真成员参数时首先将数据从地理坐标系转换到自身所使用的坐标系再进行使用。另外系统的仿真时间(相对时间)由服务器统一控制，这样就保证了系统在半实物仿真时的时空一致性［4］。

2.2 实时性保障

实时控制是半实物仿真系统的基本要求。从实际仿真的时间分析来看，目前计算机的处理能力对于数据运算完全可以达到实时性仿真的要求。对于鱼雷控制系统的仿真来说，惯导组件、控制系统通讯对时间间隔要求比较严格，例如，惯导调平数据为2 帧/秒，线导通讯为0.5 帧/秒，因此定时和时间的精确控制是实现实时仿真的关键因素。与半实物仿真关系密切的时间是从仿真开始时刻到当前时刻的时间间隔，属于相对时间(即逻辑时间)。

为了保证鱼雷控制系统半实物仿真系统的实时性，采取了如下的措施。

1)鱼雷运动模型的解算程序运行在VxWorks 环境下，采用单任务单进程“独占”的工作模式，以减少由于系统调度和操作系统带来的额外开销，尽管Windows 系统在处理人机交互和管理功能方面显示了较强的能力，但由此带来的开销也是比较大的，内核的运行需要数十兆到几百兆的内存，而且将用户限制在第3 层上，使得用户对硬件的访问必须经过用户接口函数(application programming interface，API)进行，这就限制了他在实时仿真方面的应用。在很多工业控制上，实时操作系统MS-DOS 和VxWorks 得到了广泛的应用。用于对发射平台进行模拟的计算机由于涉及到很多的状态监控，其操作系统为VxWorks。发射平台模块程序由于在射前准备和线导遥控遥测过程中，需要周期性地和鱼雷控制系统进行数据交换，因此其实时性也必须得到保证。

2)发射平台模块程序和鱼雷动力学模型的解算程序都是通过对8259 芯片编写中断程序［5］，直接访问PC 机专用的16 位时钟计数器实现的，其时间计数周期达到0.838 μs。在定时发送数据的等待里，采用循环查询的方式计算两次仿真任务之间的时间。实践表明:采用计时方式可以满足实时仿真的要求，在数据发送和接收的过程中没有出现错帧和丢帧的现象，半实物仿真时间和数学仿真时间差别在1 ～2 个周期之内。在半实物仿真中一些系统延迟是不可避免的，例如控制系统从接收到数据到输出到舵机，所采集到的舵信号之间有1 ～2 周期的延迟，这是系统硬件电气连接所决定的。另外数学仿真过程中没有把初始化过程以及读取数据文件所花费的时间计算在内，考虑到这些因素，数学仿真和半实物仿真相差一定时间是可以接受的。

3)尽量减小数据传输延迟开销，减小各种电气信号连接线的长度以及一些额外开销，由于访问外设速度花费比访问内存和缓存的时间多，故可减少程序访问硬盘的次数，减少试验保存的数据量，以二进制数据块的形式读取文件以及采用读缓冲、写缓冲等机制。

3 系统实现

为了实现图2 中系统各部分的功能，在实验室中构建了如图3 所示的半实物仿真系统。系统以计算机局域网为硬件平台，参加半实物仿真的设备包括三轴转台(含相应的上位机、下位机、控制柜、电源柜)、鱼-X 鱼雷控制段、舵机负载模拟器、程控压力装置等。

图3 中，服务器计算机为1 台工控机，完成目标模块、发射平台模块和仿真服务器模块的功能，他与鱼-X 鱼雷控制段有2 种通讯方式，实线标明的RS-232 接鱼雷控制段的预设定电缆，主要用于发射平台完成鱼雷武器射前准备的各种通讯;虚线的RS-232 接鱼雷的线导电子组件(对于线导鱼雷来说)，主要用于完成发射平台与鱼雷武器在鱼雷出管后的遥控遥测数据传输，另外通过网络接收仿真机传来的鱼雷运动参数，并将目标运动参数传递给仿真计算机。仿真计算机为一台研华工控机，主要完成鱼-X 鱼雷6 自由度弹道解算，采用网络通讯与服务器、转台控制下位机进行数据交换，同时接收目标运动参数加上干扰后作为自导的测量结果通过RS-485 传递给鱼雷控制系统，并通过另一个RS-485 串口将航行深度数据输出到程控压力装置，该装置的压力信息被控制段的压力传感器所敏感测量。仿真计算机通过研华公司的PCI -1712L 数据采集卡(外接PCLD -8712 通用端子板)采集舵机负载模拟器的舵偏角(A/D)。下面对构成系统的主要组成硬件进行详细说明。

在实验室条件下为了节约成本，在服务器计算机上实现了目标模块、发射平台模块、仿真服务器模块三大模块的功能。为了保障实时性，对目标弹道解算、发射平台解算、服务器(主要是态势显示)的计算量进行了试验，运行了10 000帧的结果表明:目标弹道每帧的计算时间为0.023 ms，发射平台的解算时间为0.035 ms，最耗时的是态势显示，其时间为2.49 ms。人眼所能辨识的显示变化为不超过24 帧/秒，所以并不是每1 次的仿真计算都需要对态势显示进行更新。为了减少通讯量和态势显示的时间，仿真中规定:鱼雷六自由度动力学仿真(仿真机上运行的)周期为1 ms，而态势显示等更新周期定为100 ms，输出给转台控制的周期也为100 ms。

服务器与鱼-X 鱼雷控制段的连接有2 个通路:实线标明的RS-232 模拟预设定电缆连接，主要是模拟发射平台与鱼雷控制系统完成鱼雷射前准备的工作;虚线标明的RS -232 模拟线导导引功能。另外他通过网络与仿真计算机进行数据交换。

仿真计算机主要是完成鱼雷出管后的弹道解算，通过PCI-1712 数据采集卡采集舵机负载模拟器的角度，根据鱼雷的动力学仿真模型，解算出鱼雷下一时刻的位置、速度、姿态角、航行深度等，然后通过网络控制下位机使转台的3 个轴转动到相应的角度，这些角度被安装在转台上的控制段惯导组件敏感得到，作为控制系统的输入。同时他将鱼雷的航行深度通过RS-485 输出到程控压力装置，程控压力装置的压力信息被鱼雷的深度传感器(包括深水压力传感器、浅水压力传感器)所敏感作为控制系统的航深数据。