机载布撒武器弹载动态信息采集与分析系统的设计与实现*

王 帅，刘豫东，朱启文，江 坤

(1南京理工大学能源与动力工程学院，南京 210094;2南京信息职业技术学院，南京 210046)

0 引言

机载布撒武器是各国在总结海湾战争经验的基础上，按照低成本、多用途的要求，提出和发展的一种介于空地导弹和航空子母炸弹之间的新型武器，是一种能在敌防空火力外投放、能携带多种子弹药、高精度、模块化、全天候的滑翔型空地制导武器[1]。

机载布撒武器是一种集多种现代高新技术于一身的复杂武器系统，子弹药抛撒机构作为多用途机载布撒武器系统的一个重要组成部分，子弹药的抛撒和飞行状态直接决定了武器系统最终的毁伤效果。目前在抛撒试验中主要采用弹体飞行过程中传感器采集信号传递到存储器保存，试验后回收存储设备再使用专用信号读出设备获取子弹抛撒和飞行数据，但由于野外实验环境复杂、存储器容易损坏和存储器电量不足等各种原因试验后无法获得数据。为了更有效的获得子弹抛撒和飞行过程中的动态数据，文中根据某布撒武器抛撒系统的特点和试验要求，设计和开发了弹载动态信息采集与分析系统。系统硬件和软件的设计功能完善，方便了试验数据的动态获取、实时管理和后期分析。

1 系统功能

针对布撒武器开舱抛撒的工作过程，本系统主要实现了子弹抛撒过程中动态数据的采集、采集动态数据的无线分集实时传输、无线管理主机的远程控制和采集与分析软件对试验数据的处理及分析等功能。

1)子弹动态数据采集功能。通过装在子弹上的传感器对开舱抛撒数据进行采集，并将采集到的子弹动态数据进行存储。

2)动态数据无线分集实时传输功能。通过分集无线传输技术接收存储的子弹动态数据，并将接收到数据进行传输。

3)无线管理主机远程控制功能。通过无线方式向系统的各个部分发送命令，管理各部分间的无线数据通信，完成对各部分的无线控制。

4)采集与分析软件对试验数据的处理和分析功能。通过友好的人机交互界面对整个系统进行控制，并实现试验数据的整理、分析、处理、存储和查询等功能，直观地将试验数据展现给用户。

2 系统的组成

根据机载布撒器开舱抛撒的特点，以及对子弹抛撒动态数据采集和处理分析的要求，设计了弹载动态信息采集与分析系统。整个系统采用有线和无线相结合的方式将各子模块紧密的连接起来，实现了各模块间的协调工作和统一管理。本系统由硬件系统和软件系统两部分组成，其硬件环境由中央控制计算机、信息记录远传管理主机、无线节点中继器和弹载动态信息记录仪等设备构成。采集与分析软件是以基于Windows系统下的交互式开发环境为核心，使用C#进行整体开发。通过硬件系统和软件系统的密切配合，实现了设备控制、实时传输和数据分析等功能[2]。图1描述了系统各部分间的数据交联情况。

图1 系统数据交联图

3 系统的硬件设计

弹载动态信息采集与分析系统的硬件主要由弹载动态数据采集模块、动态数据无线分集传输模块、弹载信息记录远传管理主机和中央控制计算机等部分组成。各子模块间并行运行，由中央控制计算机统一管理，实现了子模块间的实时数据信息传递。图2描述了系统各子模块间的连接结构。

图2 系统连接结构图

3.1 弹载动态数据采集模块

弹载动态数据采集模块由弹载存储单元、同体天线和传感器数据接口等部分组成。机载布撒器进行抛撒试验时该模块装在子弹内部，弹载存储单元通过同体天线接收无线控制信号和发送子弹抛撒飞行动态数据，当接到中央控制计算机发布无线测试命令控制信号后开始工作，抛撒过程中自动采集装在子弹上的传感器数据并进行存储，在子弹飞行过程中将数据经过同体天线进行传输[3]。

模块可实现对抛撒过程中子弹动态数据的采集存储和无线发送功能[4]。其技术指标如下：1)抗过载能力10000g;2)采样通道4个;3)采样分辨率12bits;4)采样频率25kSPS;5)存储容量256kB×16bits;6)无线数据传输速率120kbps;7)数据保持时间15天;8)天线增益优于－2dB。

3.2 动态数据无线分集传输模块

动态数据无线分集传输模块由鞭状天线、无线节点中继器和数据线等部分组成。机载布撒器进行抛撒试验时该模块架设于地面，无线节点中继器通过鞭状天线向弹载动态数据采集模块发送无线控制信号和接收采集到的动态飞行数据，并通过数据线传输。在进行多节点分集接收数据时，可调节鞭状天线的方向，使其方向分布各异，达到理想的空间分集效果，使无线数据的丢包率在1%以下[5]。

模块可实现对抛撒过程中子弹动态数据的无线接收和传输功能。其技术指标如下：1)工作频率280～900 MHz;2)接收灵敏度－85dBm;3)发射接收输出功率10dBm;4)无线数据传输速率240kbps;5)UTP网络线连接。

3.3 弹载信息记录远传管理主机

为了加强各模块间的相互协作和提高数据传输速度，系统通过弹载信息记录远传管理主机向各模块发送控制命令，统一管理各模块间的数据通信，对动态数据进行分集接收和综合处理，实现对各模块的无线控制和动态数据的传输功能。

3.4 中央控制计算机

中央控制计算机上装有信息采集和分析软件，用户试验时可以清楚了解到各模块的工作状态，通过友好的人机交互界面实现对整个系统的统一控制，试验后可将试验数据进行分析、处理和存储。

4 系统的软件设计

本系统的采集与分析软件采用面向对象的设计方法，基于Windows系统环境，采用模块化设计思想，使用C#进行整体开发，通过Access数据库实现数据管理。软件的整体框架划分为前台操作处理和后台传输控制，前台为用户提供了一个友好的人机交互界面，用户可以方便的进行硬件配置、系统控制和数据分析处理，后台负责与硬件的交互，通过串口适配引擎与硬件进行数据的传输和解析。

4.1 软件的功能模块设计

根据机载布撒武器的试验特点和设计要求，将采集与分析软件整体功能进行模块划分，主要包括主模块、单元管理模块、户外实验模块、信息查询模块、数据处理模块和系统管理模块。主模块根据系统的工作状态控制整个系统的软件流程，调用各功能模块，控制各个模块之间的切换，实现系统各项功能。

在采集与分析软件的设计中，为了更好的实现系统控制和数据传输，保证其可靠性和完整性，每个功能模块又分有不同的子模块，使用线程完成对模块的各项操作。由于采用了模块化结构，大大提高了系统的通用性、可靠性和实用性。根据系统的各项功能，软件的设计方案如图3所示。以下对各主要功能模块进行说明。

图3 软件功能模块设计图

4.1.1 单元管理模块

该模块主要负责实现对弹载动态数据采集模块的相关操作，完成对所使用弹载存储单元名称、地址、频率和备注等信息的配置查询，对采集数据所使用传感器类型、灵敏度、量程、曲线颜色和备注等信息的配置查询，通过可视化界面实现对弹载存储单元和传感器的配置、管理和查询功能。

4.1.2 户外实验模块

该模块可针对某次机载布撒武器抛撒试验的具体要求和目的，完成试验前对实验信息的填写，查询和配置连接在无线管理主机上的节点，试验时唤醒弹载存储单元使其处于工作状态，并在试验过程中实时显示试验数据。

4.1.3 信息查询模块

该模块主要负责试验信息的查询及相关的处理操作，可根据所输入条件查询相应的试验信息和相关数据，对原始试验数据进行滤波处理和傅里叶变换等操作，还可导入外部数据与试验数据进行对比分析，实现试验后对数据的存储查询和分析处理功能。

4.1.4 数据操作模块

该模块主要负责完成对数据库的相关操作，包括导入外部数据源到系统中，对系统中的数据库进行备份，恢复备份数据到当前系统中。

4.1.5 系统管理模块

该模块记录了整个系统的配置和维护等管理信息，通过查看系统日志可以查询系统出现的警告信息、错误信息和历史使用记录等相关信息。

4.2 软件的技术架构设计

在布撒器抛撒试验时需要将传感器采集到数字量转化为被测的物理量，然后将其在各硬件模块间进行传输，最后显示在用户界面上并进行图形处理。为了更好的完成试验任务，设计了包括控制引擎、数据处理引擎、串口适配引擎、图形引擎和数据库引擎的软件整体架构，来实现系统的数据通信、数据显示和数据处理等功能。图4为软件的整体技术架构，此图描述了该软件开发过程中所用到的技术模块，以及各种技术模块之间的衔接。

4.2.1 串口适配引擎

图4 软件整体技术架构

串口适配引擎主要由多端口匹配模块、串口数据收发线程池和协议适配层组成。引擎通过多端口匹配模块对连接的各端口进行适配，通过协议适配层定义的协议标准对当前连接的动态数据采集模块和系统进行数据解析适配，利用串口收发线程池对数据进行收发，并通知界面线程进行数据显示和保存。

4.2.2 数据处理引擎

数据处理引擎通过采用线程池技术对线程进行管理，为每个进程提供了一个线程池，一个线程池有若干个等待数据操作状态，当一个等待操作完成时，线程池中的辅助线程会执行回调函数，从而提高了整个系统数据处理的工作效率，实现了动态数据的实时传输。

4.2.3 数据库引擎

数据库引擎主要由异构数据库适配模块、批量数据处理模块和事务处理模块组成，通过引擎实现各模块间的协调工作，完成数据的批处理和快速存储。

4.2.4 图形引擎

为了实现试验过程中子弹动态数据的实时显示，同时保证图形的完整性，设计了动态图形绘制模块和图形实时补点模块，使用户可以实时的观测到子弹的状态，并处理动态数据可能出现的丢失情况。试验后，为了更好的处理和分析数据图形曲线，设计了图形处理模块和图形分析模块，使用户可以方便的对数据图形曲线进行放大缩小、截屏分屏对比、滤波和傅里叶变换等操作。

5 试验验证

弹载动态信息采集与分析系统已经在某机载布撒武器的抛撒试验中进行应用，试验时子弹内安装有两个加速度传感器，分别接在弹载存储单元的1和4传感器通道上，试验过程中系统成功的采集到了子弹的抛撒过载数据，试验后经过滤波等分析处理得到了满意的过载曲线。图5、图6为试验时测得的过载曲线和滤波处理后过载曲线。

图5 试验实测过载曲线

图6 滤波处理后过载曲线

6 结论

在机载布撒武器系统的总体设计中，子弹药抛撒机构的结构设计关系到整个武器系统的总体性能，直接决定了武器系统最终的作战威力，在机载布撒武器研制中至关重要。以前对子弹药抛撒过程中的数据获取主要采用试验完成后回收数据采集装置方式，试验过程繁琐、复杂且受环境影响大，往往由于各种原因无法有效地获取试验数据，大大影响试验的效果。文中根据布撒武器抛撒试验的测试需求，设计实现了弹载动态信息采集与分析系统。采集系统利用无线分集技术为抛撒试验提供有效的动态数据分集采集和传输手段，分析系统实现了数据实时显示、存储和分析处理等功能，方便了对试验数据的获取、管理和后期分析。

[1]陶如意，王浩，王帅，等.子母战斗部系统仿真平台设计与实现[J].系统仿真学报，2010，22(5)：1121－1124.

[2]李春葆，潭成予，金晶，等.C#程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]张军.无线电遥测系统及在兵器试验中的应用[M].北京：国防工业出版社，2011.

[4]刘锋，徐金梧，杨建宏，等.工业环境无线传感器网络分集技术[J].电子与信息学报，2010，32(12)：2970－2975.

[5]孙卓，权笑，王文博.采用分组纠错编码的多接入传输分集方法[J].北京邮电大学学报，2009，32(5)：6－9.