李 和

(中國科學院聲學研究所,北京 100080)

0 引言

水下自主航行器是攻擊潛艇、航母、水面艦艇、岸基設施的有力武器。作為一次性使用武器,水下自主航行器的航行性能品質至關重要。水下航行器實航試驗是對其技術性能指標最可靠的考核手段,要想全面的檢驗水下航行器的性能必須進行大量的實航試驗。但是由于受到試驗經費、時間及其他條件的制約,試驗次數(shù)是有限的。因此,憑借有限條次的實航試驗所得出的結論其可信度通常是比較低的。為了減少在實際使用中的故障和損失,在水下航行器項目的指標論證、方案設計、設備研制、生產、試驗、部隊訓練等全生命周期,均采用了仿真測試技術,對產品性能指標進行綜合全面的考核[1]。目前,仿真技術已經成為水下航行器研制和實驗中的先導技術、校驗技術和分析技術。

1 總體設計

智能聲制導水下航行器是水下自主航行器發(fā)展的主要方向之一,它由自導系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成,兩大系統(tǒng)協(xié)調工作,完成對目標的搜索、捕獲、跟蹤和攻擊。仿真系統(tǒng)可以在實驗室環(huán)境條件下,對自導-控制系統(tǒng)的協(xié)調工作進行調試和考察。該系統(tǒng)主要包括回波信號的仿真、水聲環(huán)境仿真、水下航行器流體動力仿真、傳感器仿真、水下航行器和目標的運動學仿真等。通過模擬水下航行器實航時自導、控制系統(tǒng)工作環(huán)境,考察自導系統(tǒng)和自導-控制兩大系統(tǒng)的聯(lián)合工作狀態(tài),避免相互產生反饋式交聯(lián),并分析彈道的穩(wěn)定性。

仿真系統(tǒng)采用機械對接的辦法傳遞水下環(huán)境和目標數(shù)據(jù)[2]。硬件包括目標模擬計算機、控制仿真計算機、彈道顯示計算機、顯控計算機、聲耦合對接裝置(對接陣)、PCI數(shù)據(jù)輸出卡、D/A 轉換設備、施矩器、力矩D/A和負載模擬器。為了在湖海試驗中仿真設備便于隨產品轉移和使用,其中的施矩器、力矩D/A、負載模擬器可以用仿真模型代替,將模型軟件加入到控制仿真計算機。在接收水下航行器控制系統(tǒng)的舵令后,控制仿真計算機產生傳感器信號并反饋給水下航行器控制系統(tǒng)。

軟件設計充分考慮系統(tǒng)實現(xiàn)的可能性,采用了自頂向下、模塊化、結構化的設計方法,使程序結構清楚、可靠性好,便于編寫和調試。從發(fā)射、搜索、捕獲、跟蹤到攻擊目標,根據(jù)不同的水下環(huán)境和目標特征,水下航行器采用不同的搜索、捕獲、跟蹤和攻擊策略,分支條件多,信號處理強度大,水下彈道復雜,為滿足水下自主航行器的調試和測試需要,仿真系統(tǒng)提供文本格式的參數(shù)錄入和參數(shù)自動記錄的功能。仿真系統(tǒng)結構圖如圖1。

圖1 仿真系統(tǒng)結構圖

工作時將水下航行器實物(自導頭和電子艙—自導控制系統(tǒng))加入仿真回路,組成半實物的仿真系統(tǒng)。仿真過程中,目標模擬計算機用于產生水下環(huán)境和目標回波信號;控制仿真計算機根據(jù)水下航行器的流體動力特性,模擬水下航行器各種運動過程;彈道顯示計算機用于顯示水下航行器和目標在水下的運動狀態(tài);舵負載模擬機模擬水流對舵面的作用,根據(jù)控制機發(fā)出的操舵指令以及航行參數(shù)計算出舵軸所受負載力矩,經D/A轉換后通過施矩器向舵軸施加力矩;顯控計算機是仿真試驗過程的控制樞紐,通過人機交互界面,設定仿真試驗參數(shù),監(jiān)視和控制仿真進程,提供系統(tǒng)的時統(tǒng)、同步功能,顯示航行器、目標及仿真系統(tǒng)的狀態(tài)及參數(shù)。顯控計算機、目標模擬計算機、控制計算機、彈道顯示計算機和電子艙之間通過局域網進行通訊,傳送數(shù)據(jù)[3]。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 對接陣設計

目前水下航行器仿真信號輸入主要采用三種方法:直接水聲物理場法、數(shù)字信號導入法、機械對接法[2]。

綜合考慮經費、時間和使用環(huán)境等因素,本系統(tǒng)采用機械對接法。通過將仿真系統(tǒng)的對接陣和水下航行器聲基陣機械對接,傳遞水下航行器在水下接收到的噪聲和目標信號。

對接陣由聲對接換能器基陣和對接、定位、加壓等機械裝置組成。對接陣結構如圖2所示。

圖2 對接陣結構圖

2.2 D/A轉換裝置設計

D/A轉換裝置基于 Windows2000操作系統(tǒng)和PCI總線,使用Visual C++作為開發(fā)平臺,能夠提供多通道同步連續(xù)水聲陣列信號,單通道D/A變換器采樣頻率高達200kHz,采樣精度14bit。

D/A轉換裝置包括PCI數(shù)據(jù)輸出卡和D/A變換卡。

1)PCI數(shù)據(jù)輸出卡

PCI數(shù)據(jù)輸出卡是一個帶有1536KB FIFO的通用PCI卡,在 Windows 2000操作系統(tǒng)下,它能以16MB/s的速度連續(xù)輸出數(shù)據(jù)。圖3是PCI數(shù)據(jù)輸出卡的結構框圖,整個PCI數(shù)據(jù)輸出卡包括PCI接口、大容量FIFO存儲器和驅動器3個模塊。

圖3 PCI數(shù)據(jù)輸出卡結構框圖

·PCI接口模塊

PCI接口模塊由 PCI9052和配置 EEPROM 93LC46組成。它可作為PCI總線的從設備,支持32位數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸。

·存儲器模塊

由CPLD器件EPM7128SQC100和4片F(xiàn)IFO器件AL422B組成。4片AL422B通過寬度擴展成384K x 32的FIFO存儲器。

2)D/A變換卡設計

D/A變換卡的結構框圖如圖 4所示,CPLD是D/A變換卡的控制核心,它接收PCI數(shù)據(jù)輸出卡的數(shù)據(jù),并以此為依據(jù)控制DA模塊工作;D/A變換模塊負責初始模擬信號生成,放大平滑濾波模塊控制輸出信號的量程并實現(xiàn)平滑濾波。

圖4 D/A變換卡結構框圖

·CPLD設計

CPLD是D/A板的控制核心,采用Altera公司的EPM7256SRC208-10,由它接收PCI數(shù)據(jù)輸出卡的數(shù)據(jù),并控制DA模塊工作。

·D/A模塊

D/A芯片選擇TI公司的DAC2904,14bit精度,125MSBS采樣率,在WRT信號的上升沿,D/A數(shù)據(jù)送入輸入緩沖區(qū),在WRT信號的下降沿,D/A數(shù)據(jù)送入輸出緩沖區(qū),在DA_CLK的上升沿,完成D/A變換。

·放大平滑濾波模塊

DAC2904輸出為-1～1V階躍型波,通過放大平滑濾波模塊調整成-5～+5V的平滑正弦波。

3 軟件系統(tǒng)設計

仿真軟件分別運行在仿真系統(tǒng)顯控計算機、目標模擬計算機、控制計算機、彈道顯示計算機上。軟件設計中采用了自頂向下、模塊化、結構化的設計方法[1],使程序結構清楚、可靠性好,便于編寫和調試。仿真軟件層次結構如下:

1)運行在顯控計算機上的軟件層次結構是:

第一層,初始化,建立顯控計算機和目標模擬計算機、控制仿真計算機、彈道顯示計算機之間的網絡連接,此時仿真系統(tǒng)各臺計算機上的應用軟件啟動,等待顯控計算機的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①仿真系統(tǒng)靜態(tài)調試控制模塊;

②仿真系統(tǒng)動態(tài)調試控制模塊;

③仿真系統(tǒng)自導控制聯(lián)合調試控制模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①仿真參數(shù)及狀態(tài)設定模塊;

②網絡數(shù)據(jù)發(fā)送模塊;

③網絡數(shù)據(jù)接收模塊;

④仿真狀態(tài)及參數(shù)顯示模塊;

⑤仿真結果數(shù)據(jù)存儲模塊;

⑥水下航行器和目標運動圖形顯示模塊;

⑦計時與時鐘顯示模塊。

2)運行在目標模擬計算機上的軟件層次結構是:

第一層,初始化,完成D/A轉換裝置的設備初始化和啟動,完成仿真計算基礎數(shù)據(jù)準備,建立和顯控計算機之間的網絡連接,等待顯控計算機的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①仿真狀態(tài)及參數(shù)讀取模塊;

②網絡數(shù)據(jù)發(fā)送模塊;

③網絡數(shù)據(jù)接收模塊;

④信號產生模塊;

⑤信號發(fā)送模塊;

⑥仿真狀態(tài)及參數(shù)實時顯示模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①水下航行器自噪聲信號仿真模塊;

②目標噪聲信號仿真模塊;

③混響信號仿真模塊;

④目標回波信號仿真模塊;

⑤干擾信號仿真模塊;

⑥多普勒速度計算模塊。

3)運行在控制仿真計算機上的軟件層次結構是:

第一層,初始化,啟動航行監(jiān)測模塊,完成內測記錄初始化,建立和顯控計算機之間的網絡連接,等待顯控計算機的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①仿真狀態(tài)及參數(shù)讀取模塊;

②網絡數(shù)據(jù)發(fā)送模塊;

③網絡數(shù)據(jù)接收模塊;

④水下航行器流體力學模型仿真模塊;

⑤傳感器模型仿真模塊;

⑥舵機模型仿真模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①基元控制器計算模塊;

②舵令組合計算模塊;

③姿態(tài)解算計算模塊;

④目標參數(shù)估算和最優(yōu)控制計算模塊;

⑤隨機數(shù)產生函數(shù)模塊;

⑥科學計算函數(shù)模塊。

4)運行在彈道顯示模擬計算機上的軟件層次結構是:

第一層,初始化,設置彈道圖形界面橫縱坐標,建立和顯控計算機之間的網絡連接,等待顯控計算機的命令。

第二層,仿真測試的控制與管理模塊,包括:

①水下航行器和目標運動參數(shù)讀取模塊;

②水下航行器和目標運動參數(shù)圖形顯示模塊;

③網絡數(shù)據(jù)接收模塊;

④仿真狀態(tài)及參數(shù)實時顯示模塊;

⑤水下航行器和目標運動軌跡存儲模塊;

⑥水下航行器和目標運動軌跡回放模塊。

第三層,完成各功能仿真測試的子模塊,包括:

①圖形背景設置模塊;

②圖形坐標單位設置模塊;

③圖形坐標尺度設置模塊;

④圖形繪制模塊;

⑤圖形擦除模塊;

⑥圖形左移模塊;

⑦圖形右移模塊。

其中,顯控計算機、目標模擬計算機、控制仿真計算機、彈道顯示計算機使用Windows 2000操作系統(tǒng),仿真軟件在Microsoft Visual Studio 2005集成環(huán)境下研制開發(fā)。自導和控制軟件使用VxWorks操作系統(tǒng),上面運行的水下航行器軟件在 TORNADO集成環(huán)境下研制開發(fā)。

圖5顯示的是整個仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖。

圖5 仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

4 系統(tǒng)特點

水下航行器半實物仿真系統(tǒng)是將水下航行器的工作環(huán)境、目標類型、海洋環(huán)境、人工干擾抽象成數(shù)學模型,并把水下航行器制導系統(tǒng)引入仿真回路中,采用適當?shù)姆抡嫠惴?模擬航行器在水下尋的、跟蹤和攻擊目標的全過程,從而達到評價水下航行器制導系統(tǒng)的目的。本系統(tǒng)為水下航行器自導控制系統(tǒng)提供了調試和測試平臺。

1)該系統(tǒng)模擬水下航行器自噪聲、目標噪聲、體積混響、海面混響、海底混響、目標回波信號、干擾信號,軟件功能完善。

2)該系統(tǒng)模擬水下環(huán)境和目標特征,具備仿真多亮點目標的功能。

3)該系統(tǒng)綜合平衡仿真模型的精度要求和計算強度之間的矛盾,在滿足水下航行器仿真精度的前提下,實現(xiàn)了實時仿真。

4)該系統(tǒng)具有友好的圖形化用戶界面,輸入方便,輸出清晰,仿真結果可以根據(jù)用戶需要進行存儲和回放。

5)該系統(tǒng)結構緊湊,功能完備,使用方便。

6)該系統(tǒng)使用的對接陣裝置為自主研發(fā),在聲學性能上具有工作頻帶寬、陣元耦合小、陣元之間相位和幅度一致性好的特點。

7)該系統(tǒng)的D/A轉換裝置能夠完成單通道每秒200kHz的數(shù)字-模擬信號轉換,多通道數(shù)據(jù)同步轉換,信號連續(xù)流暢,保證了聲基陣接收信號的品質。

5 結論

文中介紹的水下航行器制導半實物仿真系統(tǒng)已成功地運用于某型水下航行器的實驗室調試和湖海試驗。試驗證明該仿真系統(tǒng)總體方案設計合理先進,操作靈活方便,仿真精度高,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,具有良好的經濟效益。

[1]康鳳舉.現(xiàn)代仿真技術與應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[2]王恒霖,曹建國.仿真系統(tǒng)的設計與應用[M].北京:科學出版社,2003.

[3]康鳳舉,何紅軍,李皓,等.水下航行器系統(tǒng)分布交互仿真技術研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2001,13(2):150-152.