史連艷，宋文淵，姚志敏

（軍械工程學(xué)院 導(dǎo)彈工程系，河北 石家莊 050003）

某型防空導(dǎo)彈裝備系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)含量高，價(jià)格昂貴。導(dǎo)彈射手在面對(duì)廣闊的空域、復(fù)雜的敵情，各種類型的高速飛行目標(biāo)時(shí)應(yīng)具備超強(qiáng)技能。而導(dǎo)彈本身是一次使用性產(chǎn)品，因此導(dǎo)彈射手日常訓(xùn)練都是在模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中進(jìn)行，故訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的逼真程度決定導(dǎo)彈射手的訓(xùn)練效果，而正確、合理評(píng)定訓(xùn)練成績(jī)也為受訓(xùn)射手改進(jìn)操作提供依據(jù)[1]。由于，該型防空導(dǎo)彈裝備是“發(fā)射后不管”的，因此該裝備的訓(xùn)練是以發(fā)射前的一系列操作為主，包括武器系統(tǒng)展開、搜索目標(biāo)、瞄準(zhǔn)目標(biāo)、系統(tǒng)供電、發(fā)射等，其中主要采集兩類數(shù)據(jù)：受訓(xùn)射手各個(gè)動(dòng)作的時(shí)間量和導(dǎo)彈發(fā)射前給定的前置量（角度量）。為使導(dǎo)彈出筒后便于控制，導(dǎo)彈彈道起始偏差減小，導(dǎo)引精度和命中概率提高，在發(fā)射前應(yīng)施加一定的角度前置量，即目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)的提前量，該前置量分為高低角和水平角。這里給出基于InertiaCube2的前置量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 InertiaCube2傳感器

1.1 InertiaCube2參數(shù)

InertiaCube2是三自由度方向的跟蹤系統(tǒng)[2],具有反應(yīng)快、跟蹤范圍廣以及跟蹤過程連續(xù)平滑等優(yōu)點(diǎn)，能夠在3個(gè)垂直坐標(biāo)軸上探測(cè)旋轉(zhuǎn)角速度、重力和地球磁場(chǎng)。綜合旋轉(zhuǎn)角速度得到傳感器的測(cè)量方位信息，包括偏航角，俯仰角，滾轉(zhuǎn)角。InertiaCube2主要性能指標(biāo)如下：質(zhì)量為 25 g；體積為（28.89×24.38×33.91）mm3；角分辨率為 0.01°～0.05°RMS；最小反應(yīng)時(shí)間為2 ms；靜態(tài)精度為1°；動(dòng)態(tài)精度為 3°；串行口更新速率為 180 Hz；最大角速率達(dá)到 1 200（°）/s；測(cè)量范圍為 0°～360°。

1.2 InertiaCube2工作原理

圖1為InertiaCube2功能示意圖。在3個(gè)互相垂直的坐標(biāo)軸上分別安裝3個(gè)速率陀螺、3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)磁傳感器。角度測(cè)量是由慣性陀螺和線加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)，而磁傳感器用于偏航漂移校正。

圖1 InertiaCube2功能示意圖

2 訓(xùn)練仿真系統(tǒng)硬件組成

圖2為訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的硬件組成框圖。

圖2 訓(xùn)練模擬器硬件組成框圖

圖2中，圖形工作站運(yùn)行訓(xùn)練仿真軟件[3－4]，通過多媒體技術(shù)控制音響系統(tǒng)模擬背景聲音和導(dǎo)彈聲音，視景畫面通過RGB信號(hào)分配器送到監(jiān)視器和液晶顯示器上，供射手瞄準(zhǔn)，通過專用信號(hào)采集電路采集射手訓(xùn)練過程中所有動(dòng)作，并以命令碼方式由RS232串行接口發(fā)送到圖形工作站，仿真軟件記錄命令碼[5]，以作為成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)；InertiaCube2角度測(cè)量裝置將導(dǎo)彈方位、高低角等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至圖形工作站，軟件根據(jù)導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)方向與飛機(jī)位置進(jìn)行計(jì)算，如果落入瞄準(zhǔn)區(qū)內(nèi)即可控制產(chǎn)生聲光信息通知射手已發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

3 基于InertiaCube2的角度測(cè)量系統(tǒng)

3.1 InertiaCube2模塊安裝

InertiaCube2有RS232或USB兩種簡(jiǎn)單電氣連接方式與主機(jī)連接，而使用螺絲或螺釘將其緊固在模擬裝備上，其基面應(yīng)與地面平行。這里針對(duì)仿真武器系統(tǒng)的特點(diǎn)，并考慮到InertiaCube2需測(cè)量弱地磁信號(hào)，因此將其安裝在發(fā)射筒尾部。這樣可避免筒內(nèi)中前部電子元件與線路的電磁效應(yīng)影響到InertiaCube2測(cè)量，若將其安裝在中部，則轉(zhuǎn)動(dòng)中心間距r較小，而待測(cè)角度ω=v/r，故測(cè)量結(jié)果將受到影響。

3.2 基于InertiaCube2的數(shù)據(jù)采集

隨InertiaCube2配套提供有驅(qū)動(dòng)程序、用于讀取測(cè)量數(shù)據(jù)的函數(shù)庫以及其他文件[6]。其中，main.cpp為主循環(huán)程序，所有應(yīng)用程序調(diào)用都從該程序開始；isense.cpp為動(dòng)態(tài)鏈接庫的入口程序，與所有編譯器接口兼容，不僅僅是VC++6.0的入口程序；isense.h為頭文件，包含InterSense所有跟蹤器的函數(shù)定義和描述；types.h為頭文件,定義數(shù)據(jù)類型；isense.dll為InterSense動(dòng)態(tài)鏈接庫，安裝于Windows系統(tǒng)目錄或應(yīng)用程序工作目錄下。動(dòng)態(tài)鏈接庫中的主要函數(shù)及其功能如下：

1）ISD_TRACKER_HANDLE ISD_OpenTracker （HWND hParent， DWORD commPort， BOOL infoScreen， BOOL verbose）當(dāng)打開跟蹤器成功時(shí)，函數(shù)返回非零的句柄，用于其他函數(shù)功能指向該跟蹤器；當(dāng)打開跟蹤器失敗時(shí)，函數(shù)返回負(fù)值。其中，hParent為擴(kuò)展功能時(shí)使用，目前未用；comport為當(dāng)參數(shù)非零時(shí)，函數(shù)查找相應(yīng)的RS232接口，否則查找USB接口；infoScreen為未用；verbose為TRUE時(shí)，函數(shù)打印動(dòng)態(tài)鏈接庫版本信息。

2）BOOL ISD_CloseTracker（ISD_TRACKER_HANDLE handle）該函數(shù)用于關(guān)閉跟蹤器，釋放打開時(shí)所申請(qǐng)的資源。其中，Handle為打開跟蹤器函數(shù)返回的句柄。

3）BOOL ISD_GetTrackerData（ISD_TRACKER_HANDLE handle,ISD_DATA_TYPE*data）得到跟蹤器測(cè)得的3坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其中，Data保存3個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，符合ISD_DATA_TYPE數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義。

4）BOOL ISD_GetCommInfo（ISD_TRACKER_HANDLE handle， ISD_TRACKER_INFO_TYPE*tracker）可得到跟蹤器的設(shè)備的信息和通訊信息。其中，Tracker符合ISD_TRACKER_HANDLE定義的結(jié)構(gòu)。

測(cè)量過程如下：在程序進(jìn)入時(shí)用ISLIB_OpenTracker函數(shù)打開跟蹤器；在Timer定義的事件中用ISLIB_GetTracker-Data函數(shù)讀取當(dāng)前角位置；程序退出時(shí)采用ISLIB_Close-Tracker函數(shù)關(guān)閉跟蹤器。

3.3 角度前置量的解算方法

InertiaCube2角度測(cè)量以三自由度速率陀螺儀的測(cè)量解為主。三軸加速度計(jì)和三軸磁傳感器用來敏感地球重力場(chǎng)和地球磁場(chǎng)，進(jìn)而消除陀螺儀的累積漂移誤差。速率陀螺儀測(cè)得的數(shù)據(jù)與加速度計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)送入Kalman濾波器進(jìn)行誤差估計(jì)，經(jīng)角度綜合后補(bǔ)償，從而得到精度較高的俯仰角和偏航角數(shù)據(jù)。InertiaCube2磁場(chǎng)傳感器輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)航向誤差估計(jì)，補(bǔ)償陀螺儀解算得到的航向角誤差，最終得到綜合的角度數(shù)據(jù)，這里由于模擬訓(xùn)練裝備無自旋狀態(tài)，故對(duì)滾轉(zhuǎn)角不予測(cè)量、解算。圖3為角度解算方法框圖。

圖3 角度解算方法框圖

從InertiaCube2磁場(chǎng)傳感器輸出到Kalman濾波器的虛線表示磁傳感器的使用可能會(huì)隨時(shí)失效，即只有當(dāng)陀螺儀失效或陀螺儀航向誤差較大時(shí)該項(xiàng)補(bǔ)償起作用。對(duì)于俯仰角的誤差補(bǔ)償加速度計(jì)的測(cè)量已足夠，地磁傳感器的測(cè)量?jī)H僅用于偏航方向的校正。轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

因?yàn)閷?dǎo)彈射手應(yīng)給出的前置量是一個(gè)估計(jì)值，故測(cè)角精度達(dá)到1°。由表1可見，該測(cè)角系統(tǒng)滿足模擬訓(xùn)練的要求。

4 結(jié)論

程序?qū)λ袦y(cè)量、解算得到的俯仰角和偏航角數(shù)據(jù)按表1中的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照給出評(píng)分成績(jī)，并以數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)在硬盤上。其中誤差在2°以內(nèi)為優(yōu)秀，2°～3°之間為良好，超過3°為不及格。最后再綜合時(shí)間量成績(jī)?cè)u(píng)定給出導(dǎo)彈射手完整的訓(xùn)練成績(jī)。該型號(hào)導(dǎo)彈武器裝備訓(xùn)練仿真系統(tǒng)已投入使用。從使用效果及用戶評(píng)價(jià)來看，無論是仿真的逼真性，測(cè)量系統(tǒng)的精度，或是成績(jī)?cè)u(píng)定的科學(xué)性均滿足訓(xùn)練使用要求。

[1]史連艷，宋文淵.便攜防空導(dǎo)彈訓(xùn)練仿真系統(tǒng)成績(jī)?cè)u(píng)定方法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2004，22（5）：25-27.

[2]InterSens.Product manual for use with InertiaCube2serial and USB interfaces[R].InertiaCube2Manual Doc.No.072-IC210-0J01.

[3]馬立元，李增瑞，王 妍.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈概論[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1997.

[4]郝永生，李洪儒，史連艷.仿真與模擬訓(xùn)練技術(shù)[M].石家莊：軍械工程學(xué)院，2003.

[5]郭齊勝.系統(tǒng)仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[6]祝常紅.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.