导弹飞行试验快速判决系统设计∗

2018-05-29李鹏

舰船电子工程 2018年5期

李鹏

（92941部队葫芦岛 125001）

1 引言

在导弹飞行试验中，如果导弹飞行异常，直接威胁到航区周围重要设施和人民生命财产安全。导弹飞行结束后，为了尽快决策后续任务是否顺利进行，指控中心需要快速计算脱靶量、遥测关键参数异常判决［1］、导弹落点等快速判决结果，为试验指挥人员和总体技术人员作出指挥决策提供技术支持。随着新武器装备试验向大射程、大空域、高速度等方向发展，快速判决已经成为越来越重要的数值依据。因此对导弹快速判决的系统建设提出了迫切的要求［2］。

2 系统功能

1）通过实时处理得到的导弹航迹和落点、高度速度曲线、遥测实时挑点参数以及飞行实况图像等信息判断导弹飞行是否正常。

2）对遥测关键参数、导弹外弹道实时预测变化趋势，提前对导弹航迹将要超出航迹边界和遥测参数超出阈值进行预警。

3）通过图像未发现导弹命中靶船，或者实时落点距靶位点较远时，用事后数据重新计算落点数据确认导弹落点。

4）利用实时的导弹GPS、雷达定位结果和实时靶船定位数据快速计算导弹脱靶量，分析导弹命中情况。

5）通过实时处理得到的导弹航迹和落点、遥测实时挑点参数以及飞行实况图像等信息判断导弹飞行异常，出现提前落水或明显偏离航向的情况时，用事后数据计算落点。

6）通过遥测实时挑点参数以及飞行实况图像等信息判断导弹飞行异常，出现提前落水或明显偏离航向的情况时，对数据处理结果的遥测关键参数转换成相应格式，对导弹故障诊断，查找故障原因。

7）利用实时处理结果对试验过程复演。

3 系统组成

3.1 硬件配置

1）数据处理结果汇集服务器

2）遥测关键参数判决服务器

3）脱靶量、落点计算服务器

4）显示复演服务器

5）打印机

3.2 软件配置

1）Unix操作系统

2）Windows xp操作系统

3）QT++编程语言

3.3 软件系统组成

1）实时判决预处理

（1）判决信息汇集

将实时解算的遥测关键参数以及导弹GPS数据、靶船定位数据按固定时钟周期汇集分发给遥测关键参数判决服务器、脱靶量及落点计算服务器。

（2）对参加判决的数据信息帧按接口规范进行解析并合理性检验特征值提取。

2）中靶情况分析子系统

利用实时的导弹GPS、雷达定位结果和实时靶船定位数据快速计算导弹脱靶量［3］，分析导弹命中情况。

3）遥测关键参数异常分析子系统分析遥测参数是否异常、遥测指令。

4）计算导弹落点子系统

5）数据库子系统

管理存储型号导弹的异常判决知识准则、遥测关键参数特征信息、预测算法、以及遥外弹道数据处理结果、理论值等信息。系统组成如图1所示。

图1 飞行试验快速判决系统组成

4 系统技术实现

4.1 实时判决预处理

研究牛顿插值算法，该方法将试验数据进行函数逼近，形成遥测数据变化趋势的近似表达式，简单易行且精度高。有中心插值法、前推插值法和后推插值法等几种方法［4］。用中心插值法和后推插值法来判断某点是否是野值点时，需要用到该点后面的数据，容易引起野值逆传并且需要积累当前时刻之后的数据，在实现时影响到算法的效率和实时性。因此用前推插值方法。

4.2 遥测关键参数异常判决的方法

4.2.1 基于规则的知识库及求解策略

将导弹内弹道典型故障的判决知识获取为产生式规则［5］，以IF P THEN Q基本形式表示。知识表示采用基于规则的思想，规则的结论可以增加事实也可以执行某些操作；每个被判决的参数，都拥有属于自己的规则，判决时仅搜索其对应的规则；规则之间相互独立，利用规则的优先级或者被调用次数来控制规则的执行顺序；每条规则都有可信度以及被调用的次数统计，从而形成了优先级；或者优先级的高低由一个整数代替，其数值由用户录入时指定；同一优先级的规则最多只能执行一条，因此，对于同一个被判参数的所有规则来说，优先级相同的规则的前提必须互斥。

4.2.2 知识库表的设计方法

设计了以下主要数据表构成知识库［6～7］：事实表、结论规则表、函数表和元数据表。事实规则表用来存储事实。结论规则表存储中间规则和结论规则，函数表存储规则前提中的函数表达式。

1）属性集用于存放知识对象的属性。专家经验由故障现象、故障原因两部分组成。这两部分都作为知识对象的属性。

2）规则集用来存放领域知识转换成的产生式规则。在本系统中，规则集存储三种类型的知识规则：事实规则、中间规则和结论规则。在系统中，规则集和属性集是由自定义结构类型的动态数组构成。

3）方法集用来存放操作知识对象的方法。它包括三个部分：转换操作集是把属性集转换成规则集的方法，其主要功能是建立由知识对象到产生式规则之间的映射关系；知识校验集是各种校验知识规则的方法集合，主要包括语法检查和不一致性校验（冗余性校验、矛盾性校验和循环校验）；一般方法集包含了对知识对象的基本操作，如对象的生成、删除、消息处理等。关于知识表示的对象思路设计如下：

class Knowledge//知识表示的类设计

｛

属性成员：

int KnowObject_ID；//知识对象标识

PreCensequece*FaultPhenomena；//故障现象集

PreCensequece*FaultCause；//故障原因集

Ruletype*Ruleset；//规则集

方法成员：

void KnowledgeTransforming（）；//建立领域知识到知识规则之间的映射

void knowledgeverificating（）；//知识校验

｝

Struct PreCensequece//故障现象集结构

｛

String precondition；//前提

String Censequece；//结论

｝

Struct RuleType//规则集结构

｛

PreCensequece *FaultRule；//事实规则集

PreCensequece *MidEndRule；//结论规则集

PreCensequece *Next；//下一条规则指针

｝

4.3 脱靶量计算的方法

计算脱靶量，先利用最后获得的导弹GNSS实测弹道的位置和速度数据，通过外推估算导弹中靶（过靶船高度平面）时刻的位置；然后通过估算的导弹中靶时刻位置和实测的靶船中心点位置和航向，求解导弹在靶船测量坐标系下的相对位置偏差——即实时脱靶量数据［8～9］。在实时落点预报中［10～11］，将导弹被动段的运动视为质点运动，被动段轨迹方程的初值条件取导弹瞬时点在发射坐标系下的速度与位置，作为关机点或头体分离点时刻的运动参数。利用测试获得的导弹质量变化与空气阻力参数，算出某一时段内的弹道状态。落点计算采用四阶“龙格-库塔”法［12］，以数据采样点频率为步长进行数值积分计算，主要考虑了地球引力、哥氏力、牵引力影响。落点实时预报计算公式如下：

其中：

哥氏加速度：

其中：

牵连加速度：

其中：

地球自转角速度：

其中：

引力加速度：

5 快速判决系统的实现及技术指标

5.1 系统实现

快速判决系统用QT编程实现，以某几个典型型号任务为例，用历史任务数据进行复演，输入快速判决系统，得到相应的判决结果。判决主界面如图2所示。

图2 飞行试验快速判决系统主界面

5.2 技术指标

1）实时性指标：关键参数判决和预测处理时延小于1s；

2）脱靶量计算指标：实时计算脱靶量误差小于5m；

3）异常判决功能指标：提前2～3个实时处理周期对参数异常告警。

6 结语

本文设计了导弹飞行试验快速判决系统，在多型号导弹飞行试验任务得到了应用，判决系统对遥测关键参数判决结果正确，起到了故障预警和安控判决辅助决策的作用。确保了试验任务的顺利完成。落点计算和脱靶量计算准确，快速分析导弹命中情况。试验应用证明：该文设计的快速判决系统技术先进，设计合理，模型正确。提高了导弹的实时判决效率，满足靶场试验任务中导弹内弹道的安控数判工作要求，在技术上和应用上是切合实际、合理可行的。

参考文献

［1］陈以恩.遥测数据处理［M］.北京：国防工业出版社，2002.122-157.

［2］潘昶.导弹内弹道典型故障安控判决系统设计［J］.战术导弹技术，2012（1）：111-114.

［3］潘昶.脱靶量的计算方法研究及应用［J］.计算机与数字工程，2017，45（7）：1278-1281.

［4］张强，孙红盛，胡泽明.目标跟踪中野值的判别与剔除方法［J］.太赫兹科学与电子信息学报，2014，12（2）：256-259

［5］李爱平，张涛.基子规则的知识库在导弹总体设计中的应用木［J］.机电一体化，2005（5）：23-26.

［6］钟秀琴，刘忠，丁盘苹.基于混合推理的知识库的构建及其应用研究［J］.计算机学报，2012，35（4）：761-766.

［7］苏正炼，严骏，陈海松.基于本体的装备故障知识库构建［J］.系统工程与电子技术，2015，37（9）：2067-2072.

［8］车著明，王忠贵，刘涛.火箭飞行信息实时融合检择与平滑求速方法研究［J］.遥测遥控，2013，34（5）：49-53.

［9］周立锋，马斌，谢志博.GPS在计算导弹脱靶量中的应用研究［J］.全球定位系统，2008（6）：33-36.

［10］于古胜，李连登，翟丽丽.航天器实时落点计算误差修正方法［J］. 舰船电子工程，2010，30（3）：143-146.

［11］史金光，刘猛.弹道修正弹落点预报方法研究［J］.弹道学报，2014，26（2）：29-33.