舒立鵬，朱柏飛，吳曄，唐旭，劉新宇，曹瑩星

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

彈炮結(jié)合武器火控系統(tǒng)是彈炮結(jié)合武器的重要組成部分，火控系統(tǒng)方案的優(yōu)劣對整個武器系統(tǒng)性能的影響至關(guān)重要，因此，在不同的研制階段彈炮結(jié)合武器火控系統(tǒng)需要采用數(shù)學(xué)仿真、實時仿真以及半實物仿真等方式以測試驗證火控系統(tǒng)方案的正確性、可行性，并不斷地迭代改進優(yōu)化，以確保系統(tǒng)設(shè)計方案的最優(yōu)。在實時仿真階段需要結(jié)合火控系統(tǒng)的方案搭建實時仿真平臺進行實時仿真測試驗證[1-3]?，F(xiàn)有的彈炮結(jié)合武器火控系統(tǒng)實時仿真測試涉及多個不同功能的設(shè)備，如同步時統(tǒng)裝置、空情模擬器、姿態(tài)模擬器、火控計算機、網(wǎng)絡(luò)交換機和數(shù)據(jù)采集裝置等。各設(shè)備均自成一個箱體，分散布置，導(dǎo)致操作維護不便，系統(tǒng)成本增加；另外各設(shè)備軟硬件功能固化且單一、板卡接口少，導(dǎo)致整個實時仿真平臺可擴展性差，重用性不強。諸如此類問題導(dǎo)致現(xiàn)有火控系統(tǒng)研制成本增加，研制效率降低。為了解決當(dāng)前彈炮結(jié)合武器火控實時仿真平臺存在的的問題，筆者設(shè)計了一體化彈炮結(jié)合武器火控實時仿真平臺。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

彈炮結(jié)合武器火控實時仿真平臺可用于支持火控系統(tǒng)的預(yù)先研究、方案設(shè)計、詳細設(shè)計和系統(tǒng)綜合等不同階段的研究工作，能夠在多種環(huán)境和工作狀態(tài)下綜合評估火控系統(tǒng)的性能指標(biāo)，驗證系統(tǒng)功能的正確性和接口的協(xié)調(diào)性[4]。為了實現(xiàn)仿真驗證功能并且改進現(xiàn)有火控實時仿真系統(tǒng)的不足，設(shè)計了一體化實時仿真平臺，其工作原理如圖1所示。該平臺與仿真管理機、數(shù)據(jù)處理機組成完整的仿真系統(tǒng)。一體化火控實時仿真平臺包括電源板、底板、網(wǎng)絡(luò)交換板以及多個功能板。功能板主要有數(shù)據(jù)采集板、火控處理板、信息模擬板以及備板，功能板上運行嵌入式實時操作系統(tǒng)，可以滿足系統(tǒng)實時仿真要求。仿真管理機和數(shù)據(jù)處理機為非實時系統(tǒng)，均可采用安裝Windows操作系統(tǒng)的普通筆記本和相應(yīng)的應(yīng)用軟件實現(xiàn)所要求的功能，此外也可安裝嵌入式實時軟件開發(fā)工具，作為實時軟件的開發(fā)平臺。

信息模擬板接收仿真管理機的控制，能接收仿真管理機傳輸?shù)男畔⒉⑼ㄟ^CAN總線將信息實時輸出，作為火控處理板的輸入，是系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)源頭；火控處理板接收信息模擬板輸出的信息，運行火控解算模型，進行數(shù)據(jù)解算處理并通過CAN總線輸出解算信息；數(shù)據(jù)采集板能采集系統(tǒng)全部CAN總線實時數(shù)據(jù)并上傳到數(shù)據(jù)處理機，另外產(chǎn)生系統(tǒng)同步信號用于仿真時鐘推進。

數(shù)據(jù)處理機與數(shù)據(jù)采集板構(gòu)成上、下位機模式，其通過以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)采集板上傳的采集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理分析，用于檢查系統(tǒng)功能、分析性能，同時監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)。仿真管理機與信息模擬板構(gòu)成上、下位機模式，其根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)運行應(yīng)用軟件生成需要的車體姿態(tài)和目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，其中應(yīng)用軟件基于相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來生成模擬數(shù)據(jù)；通過以太網(wǎng)將所生成的姿態(tài)數(shù)據(jù)、目標(biāo)位置數(shù)據(jù)、仿真控制命令、系統(tǒng)指令等發(fā)送到信息模擬板。

該仿真系統(tǒng)內(nèi)部交互的信息分為實時信息和非實時信息，實時信息是系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)鍵信息，如目標(biāo)位置數(shù)據(jù)、車體姿態(tài)、火控主令數(shù)據(jù)等；非實時信息如系統(tǒng)控制命令、參數(shù)配置信息等。對于實時信息傳輸采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)基于分時傳輸方式實現(xiàn)實時通信，對于非實時信息采用以太網(wǎng)進行通信。如圖1所示，實時仿真平臺內(nèi)部的功能板卡之間均可基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信，實時仿真平臺與數(shù)據(jù)管理機、仿真管理機等之間采用以太網(wǎng)傳輸非實時信息。

仿真系統(tǒng)工作流程：上電后，通過仿真管理機交互界面進行仿真參數(shù)設(shè)置，控制系統(tǒng)啟動運行；由信息模擬板接收上位機信息并按照參數(shù)設(shè)定進行輸出，火控處理板接收目標(biāo)位置信息、車體姿態(tài)信息等進行處理、輸出；由數(shù)據(jù)采集板實時采集全部CAN總線數(shù)據(jù)并在接收到系統(tǒng)停止指令后上傳采集的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理機進行處理、分析，以完成火控系統(tǒng)功能、性能仿真測試工作[5-6]。

本方案相比現(xiàn)有的彈炮結(jié)合武器火控實時仿真平臺具有以下主要優(yōu)點：

1)基于一體化設(shè)計思路對原具有不同功能的設(shè)備分別進行功能集成設(shè)計，最終實現(xiàn)了一塊板卡取代一個設(shè)備，全部板卡集成到一個箱體內(nèi)的設(shè)計目標(biāo)，另外將原有功能單一的設(shè)備進行整合，實現(xiàn)了一體化集成設(shè)計。

2)功能板卡硬件定時均可基于軟件設(shè)置參數(shù)的方式靈活配置，可以滿足不同彈炮結(jié)合武器火控系統(tǒng)仿真節(jié)點(如火控處理板、航路仿真板等)不同時刻的數(shù)據(jù)發(fā)送需求；針對不同ID、不同周期的數(shù)據(jù)模擬輸出功能需求，可以在仿真管理軟件上設(shè)置參數(shù)后最終由信息模擬板來完成，不需要再次開發(fā)信息模擬板軟件，提高了系統(tǒng)的靈活性和重用性。

3)功能板卡接口豐富，板卡上設(shè)計了目前火控仿真系統(tǒng)常用的接口，如同步接口、多路串口、以太網(wǎng)和兩路CAN網(wǎng)絡(luò)接口，為系統(tǒng)測試的靈活性奠定基礎(chǔ)。功能板卡間可以互換，只要運行不同的應(yīng)用軟件就可實現(xiàn)不同的功能，通用性好，便于維護。底板上有預(yù)留功能板卡插槽，便于功能擴展。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

為了提高仿真平臺的重用性、可擴展性以及可維護性，一體化火控實時仿真平臺硬件設(shè)計基于外場可更換結(jié)構(gòu)(LRM)架構(gòu)，該架構(gòu)具有可帶電插拔，可靠性、互換性好等特點。一體化火控實時仿真平臺包括電源板、母板、網(wǎng)絡(luò)交換板以及4塊功能板，如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)交換板實現(xiàn)內(nèi)部功能板卡之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。電源板接收外部24 V直流供電，進行轉(zhuǎn)換后為仿真平臺內(nèi)其他板卡供電。功能板主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，包括信息模擬板、火控處理板、數(shù)據(jù)采集板以及備板。功能板卡設(shè)計具有相同的接口和功能，功能板卡間可以互換，接口種類多，接口數(shù)量均有預(yù)留，可以滿足系統(tǒng)擴展要求。

功能板卡CPU選用主頻≥800 MHz的國產(chǎn)龍芯2K1000軍品級處理器，內(nèi)存≥1 GB，F(xiàn)lash≥128 MB，硬盤≥8 GB，EEPROM≥16 KB；1路RS485同步信號輸入，6路CAN總線接口，2路RS422接口，1路RS485接口，2路RS232接口，1路10/100/1 000M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，1路USB2.0并支持Reworks實時操作系統(tǒng)。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 軟件總體架構(gòu)

系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)如圖3所示，其中仿真管理軟件和數(shù)據(jù)處理軟件運行在兩個上位機上，為非實時軟件，基于Qt開發(fā)，其余的軟件均為基于國產(chǎn)Reworks實時操作系統(tǒng)的嵌入式實時軟件,均部署于一體化實時仿真平臺內(nèi)的功能板卡上。實時軟件基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)進行實時信息交互，而非實時軟件基于以太網(wǎng)進行通信[7-8]。

上、下位機的軟件架構(gòu)如圖4所示，軟件基于分層結(jié)構(gòu)，軟件運行時上位主機既是嵌入式實時系統(tǒng)開發(fā)主機，也是仿真系統(tǒng)運行時的仿真管理機或者數(shù)據(jù)處理機，都通過上位主機與目標(biāo)機之間的以太網(wǎng)通信下載。

2.2.2 軟件設(shè)計

2.2.2.1 仿真管理軟件

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性和通用性，仿真管理軟件實現(xiàn)目標(biāo)航路仿真模型、車體姿態(tài)仿真模型參數(shù)的設(shè)置及仿真模型的求解、仿真源數(shù)據(jù)生成；基于軟件實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送ID、發(fā)送周期等參數(shù)的設(shè)置，并將這種配置以及仿真源數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)下發(fā)到信息模擬板，由其按照數(shù)據(jù)的周期、ID、數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)發(fā)送。該方案靈活方便，易于在上位機軟件上擴展新功能而不需要改變下位機軟硬件，就可以滿足不同火控方案對不同仿真數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)需求[9]。

軟件運行時，操作人員設(shè)置仿真參數(shù)(如目標(biāo)航路類型)、航路參數(shù)(如航路高度、速度等)，設(shè)置車體姿態(tài)模型的參數(shù)(如車體速度、航向角、縱搖角和橫滾角仿真模型系數(shù)等)；軟件根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)求解模型，生成需要的車體姿態(tài)和目標(biāo)位置數(shù)據(jù)；通過以太網(wǎng)將所生成的車體姿態(tài)數(shù)據(jù)、目標(biāo)位置數(shù)據(jù)發(fā)送到信息模擬板；用戶發(fā)送仿真命令控制信息模擬板通過CAN總線實時輸出仿真數(shù)據(jù)到火控處理板。

2.2.2.2 信息模擬軟件

信息模擬軟件運行于信息模擬板，該軟件接收上位機指令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)發(fā)功能。該軟件運行時根據(jù)與上位機的協(xié)議，接收上位機通過以太網(wǎng)傳輸?shù)能圀w姿態(tài)、目標(biāo)位置數(shù)據(jù)暫存于內(nèi)存，接收上位機的CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送配置參數(shù)。在收到仿真“開始”指令后，按照參數(shù)設(shè)定值通過CAN總線實時輸出包括車體姿態(tài)數(shù)據(jù)、目標(biāo)位置數(shù)據(jù)、系統(tǒng)指令等數(shù)據(jù)，作為火控處理板的輸入；收到仿真“停止”指令后停止輸出數(shù)據(jù)。

2.2.2.3 火控處理軟件

火控處理軟件運行于火控處理板上，該軟件為嵌入式實時軟件，軟件實現(xiàn)火控數(shù)學(xué)模型的實時求解?；鹂啬Ｐ鸵话惆繕?biāo)運動估計模型、迭代解算模型、射擊線穩(wěn)定等多個模型。由于不同火控方案對應(yīng)的火控模型及軟件功能、性能要求不同，所以需要基于實時平臺進行開發(fā)和測試驗證。

火控處理軟件功能接收目標(biāo)位置信息，進行目標(biāo)運動狀態(tài)估計，根據(jù)估計結(jié)果進行相遇點的迭代計算，求取射擊諸元；接收車體姿態(tài)數(shù)據(jù)進行射擊線穩(wěn)定計算，通過CAN總線輸出火控主令信息。

2.2.2.4 數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集板運行嵌入式實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件，具有采集、監(jiān)控兩種模式。在采集模式下，收到上位機的“開始”指令則實時采集系統(tǒng)CAN總線上傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，收到“停止”指令則上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理機進行分析處理；在監(jiān)控模式下，實時采集數(shù)據(jù)并實時上傳到上位機用于顯示曲線、數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對全系統(tǒng)的實時監(jiān)控。此外，數(shù)據(jù)采集板能產(chǎn)生系統(tǒng)同步信號發(fā)送給各個功能板，用于仿真時鐘推進。

2.2.2.5 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)處理機與數(shù)據(jù)采集板構(gòu)成上、下位機模式，數(shù)據(jù)處理機運行基于Qt工具開發(fā)的數(shù)據(jù)監(jiān)控處理軟件，該軟件具有對下位機控制、數(shù)據(jù)處理分析和數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能。該軟件通過以太網(wǎng)發(fā)送命令進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控模式控制。在采集模式下，接收上傳的CAN總線采集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理分析，檢查系統(tǒng)功能，統(tǒng)計性能指標(biāo)；在監(jiān)控模式下，接收數(shù)據(jù)采集板上傳的監(jiān)控數(shù)據(jù)，實時繪制不同數(shù)據(jù)曲線，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用及驗證

為了評估某虛擬閉環(huán)校射火控系統(tǒng)方案的正確性，基于該實時仿真平臺開展了性能仿真驗證試驗。根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計，基于開發(fā)工具和仿真模型開發(fā)火控處理軟件和虛擬閉環(huán)校射軟件，分別下載并固化于火控處理板和備板中，其中備板完成閉環(huán)校射功能中的校正量的計算,并輸出到火控處理板[10]。

系統(tǒng)運行時首先在仿真管理軟件上設(shè)置航路參數(shù)，如航路類型設(shè)置為“蛇形機動”，航路高度1 km,目標(biāo)速度255 m/s，機動幅度30 m及頻率0.15 Hz等參數(shù)，軟件根據(jù)配置參數(shù)和對應(yīng)的模型計算目標(biāo)航路位置。此外，根據(jù)系統(tǒng)CAN總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計CAN總線信息傳輸時刻、周期等并進行參數(shù)設(shè)置，如目標(biāo)位置數(shù)據(jù)發(fā)送時刻為第5 ms時刻、發(fā)送周期為20 ms等。設(shè)置完成后發(fā)送指令，啟動系統(tǒng)運行，航路數(shù)據(jù)和參數(shù)將下發(fā)到信息模擬板上；同時，啟動數(shù)據(jù)采集板采集總線數(shù)據(jù)。

信息模擬板接收啟動指令后，由信息模擬軟件將目標(biāo)位置數(shù)據(jù)和車體姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上?；鹂靥幚戆褰邮漳繕?biāo)位置信息求取射擊諸元；接收車體姿態(tài)數(shù)據(jù)進行射擊線穩(wěn)定計算，接收校正量進行綜合計算后通過CAN總線輸出火控主令、狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)采集板實時采集全部CAN總線上的數(shù)據(jù)。

仿真試驗結(jié)束時仿真管理軟件發(fā)送指令停止仿真，信息模擬板在收到該指令后停止數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，火控處理板停止火控解算任務(wù)，校射板停止校正量計算輸出，數(shù)據(jù)處理機接收采集板上傳的系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對校射條件下與非校射條件下的火控誤差的比較分析。

試驗證明，通過設(shè)置不同的仿真參數(shù)可以實現(xiàn)不同航路、不同姿態(tài)仿真以及閉環(huán)校射、火控解算功能與性能仿真，驗證了該平臺設(shè)計方案的正確性以及良好的重用性、可擴展性。在虛擬閉環(huán)校射仿真試驗中，在相同航路參數(shù)條件下基于該實時仿真平臺所生成的蛇形機動航路數(shù)據(jù)與基于MATLAB數(shù)值仿真數(shù)據(jù)曲線對比如圖5所示，二者仿真結(jié)果基本保持一致，證明實時仿真平臺可以準(zhǔn)確地反應(yīng)火控系統(tǒng)性能。

基于該實時仿真平臺所進行的虛擬閉環(huán)校射火控系統(tǒng)性能評估結(jié)果，校射前、后的方位角和射角誤差曲線如圖6、7所示。試驗結(jié)果表明所設(shè)計的虛擬閉環(huán)校射方案合理，系統(tǒng)功能實現(xiàn)正常,接口匹配,工作流程正確，能滿足各項性能指標(biāo)要求,校射效果良好，為后續(xù)實裝應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

筆者通過構(gòu)建彈炮結(jié)合武器一體化火控實時仿真平臺，建立了火控系統(tǒng)性能仿真與驗證環(huán)境，為彈炮結(jié)合武器火控系統(tǒng)性能和技術(shù)指標(biāo)的驗證提供了技術(shù)支撐。該平臺在實際應(yīng)用中縮短了火控系統(tǒng)的研制周期，提升了仿真驗證效率，驗證了系統(tǒng)總體性能。實踐證明，構(gòu)建的實時仿真平臺方案正確可行，可以為相似的仿真平臺提供借鑒。