范麗，韓文波

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

半實(shí)物仿真主控系統(tǒng)是激光制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的重要組成部分[1]，主控系統(tǒng)主要完成對試驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行參數(shù)配置、控制實(shí)驗(yàn)流程及對仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和顯示的功能，完成閉環(huán)仿真試驗(yàn)。

1 激光制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真主控系統(tǒng)組成及功能

激光制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的全流程，其組成如圖1所示。轉(zhuǎn)臺正上方安裝一套二維擺鏡系統(tǒng)，激光束將照射到漫反射屏上，用于模擬目標(biāo)運(yùn)動軌跡。兩軸轉(zhuǎn)臺模擬彈體運(yùn)動，轉(zhuǎn)臺上安裝導(dǎo)引頭（視覺檢測系統(tǒng)）。主控計算機(jī)接收導(dǎo)引頭檢測到的光點(diǎn)相對視場中心線的視線角從而觀測目標(biāo)的方位信息，經(jīng)計算后輸出控制兩軸轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)。最后由三維視景計算機(jī)形象、生動地顯示戰(zhàn)場環(huán)境和導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的過程。

主控系統(tǒng)是激光制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)的重要組成部分，如圖1的虛線部分。主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真各計算機(jī)之間的通信，對仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和顯示，根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行參數(shù)配置，控制實(shí)驗(yàn)流程。

圖1 主控系統(tǒng)組成框圖

2 主控系統(tǒng)各通信接口設(shè)計

主控計算機(jī)需要與導(dǎo)引頭、二維振鏡、轉(zhuǎn)臺控制計算機(jī)、三維視景計算機(jī)進(jìn)行通信，這就需要選擇適合的通信方式。主控系統(tǒng)的連接方式如圖2所示。

圖2 主控系統(tǒng)通信接口

（1）主控計算機(jī)與轉(zhuǎn)臺計算機(jī)的通信實(shí)時性要求特別高，選用高速、實(shí)時、確定性好的光纖反射內(nèi)存。解決實(shí)時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性問題[2]。

（2）主控計算機(jī)與三維視景計算機(jī)間的通信實(shí)時性要求并不是很高，選用以太網(wǎng)通信[3]。

（3）主控計算機(jī)與二維振鏡的通信只是控制系統(tǒng)仿真環(huán)境設(shè)置參數(shù)和參數(shù)回傳，相對簡單且對實(shí)時性要求不高，采用RS232串口通信方式。

（4）導(dǎo)引頭對目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時采集后發(fā)送給主控計算機(jī)，速率要求較高，選用傳輸速度能達(dá)到1000Mbit秒的千兆網(wǎng)卡[4]。

3 半實(shí)物仿真主控系統(tǒng)軟件設(shè)計

主控系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境為Windows+RTX系統(tǒng)壞境，RTX可實(shí)現(xiàn)0.5ms的精確定時，適合于連續(xù)動力學(xué)系統(tǒng)數(shù)學(xué)和半實(shí)物仿真[5]。主控軟件的人機(jī)交互模塊采用Windows環(huán)境下C++語言進(jìn)行編程，而閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)中的彈道解算模塊因?yàn)橐髮?shí)時性，需要運(yùn)行在RTX環(huán)境下，二者通過共享內(nèi)存進(jìn)行通訊。

3.1 主控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

主控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，包括指令模塊和顯示模塊。主控系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 主控軟件邏輯架構(gòu)圖

3.1.1 指令模塊

指令模塊負(fù)責(zé)用戶向計算機(jī)發(fā)出指令，具體可實(shí)現(xiàn)仿真選擇、流程控制、曲線設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置。

仿真選擇提供了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的開環(huán)仿真試驗(yàn)和閉環(huán)仿真試驗(yàn)兩種仿真模式。

（1）開環(huán)仿真試驗(yàn)主要考查導(dǎo)引頭在彈道仿真條件下是否能正確跟蹤目標(biāo)，考核導(dǎo)引頭制導(dǎo)信號是否正確，通過數(shù)據(jù)分析，查找系統(tǒng)存在的問題，為最終閉環(huán)仿真試驗(yàn)做準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)流程包括主控計算機(jī)運(yùn)行彈道仿真程序，導(dǎo)引頭將敏感到的彈目視線角信號發(fā)送給計算機(jī)，但此制導(dǎo)信息并不參與計算機(jī)的彈道解算，而是利用計算機(jī)自身的導(dǎo)引頭數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解算并形成彈道閉環(huán)。其仿真流程如圖5所示。

圖5 開環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)流程

（2）閉環(huán)仿真試驗(yàn)主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的全過程仿真。試驗(yàn)前設(shè)定閉環(huán)周期、被試導(dǎo)彈的各項(xiàng)參數(shù)等信息，仿真試驗(yàn)進(jìn)行時，主控計算機(jī)接收導(dǎo)彈運(yùn)動模型解算出的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)、導(dǎo)引頭回傳的測量數(shù)據(jù)，計算舵機(jī)數(shù)學(xué)模型的控制輸出角度，形成一次彈道仿真的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)直至命中目標(biāo)。最后主控計算機(jī)給出在全彈道狀態(tài)下的脫靶量。閉合仿真實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示：

圖6 閉合回路仿真流程

流程控制：主要用于控制仿真試驗(yàn)的工作流程。按照“打開模型-＞參數(shù)設(shè)置-＞開始仿真-＞停止仿真-＞復(fù)位”的操作順序進(jìn)行控制，并且過程信息將記錄顯示在日志列表區(qū)域。

曲線設(shè)置：提供了對四個曲線控件的樣式設(shè)定。

系統(tǒng)設(shè)置：提供了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置及數(shù)據(jù)庫連接等。

3.1.2 顯示模塊

顯示模塊是為了使觀測者能直觀地看到導(dǎo)彈的坐標(biāo)信息、姿態(tài)信息、過載信息、視線信息等。其流程框圖如圖7所示。

圖7 顯示模塊流程圖

3.2 主控系統(tǒng)在RTSS進(jìn)程和Windows進(jìn)程下的具體設(shè)計

首先將軟件劃分為Win32進(jìn)程下的模塊與RTSS進(jìn)程下的模塊，確定模塊間的調(diào)用關(guān)系以及模塊的接口，其具體劃分如下表1所示：

表1 Win32進(jìn)程和RTSS進(jìn)程模塊分類

3.2.1 Win32進(jìn)程下程序設(shè)計

Win32進(jìn)程下人機(jī)交互程序主要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建共享內(nèi)存及創(chuàng)建RTSS進(jìn)程，啟動定時器及讀取共享內(nèi)存數(shù)據(jù)及異常處理等。具體流程圖如圖8所示。

圖8 Win32進(jìn)程下程序流程圖

3.2.2 RTSS進(jìn)程下程序設(shè)計

RTSS進(jìn)程下讀取彈道解算實(shí)時數(shù)據(jù)程序主要實(shí)現(xiàn)打開共享內(nèi)存、啟動定時器及讀取共享內(nèi)存數(shù)據(jù)，同步輸出彈道結(jié)算數(shù)據(jù)及異常處理。具體流程圖如圖9所示。

圖9 RTSS進(jìn)程程序流程圖

3.2.3 Windows進(jìn)程與RTSS進(jìn)程間通信

Win32進(jìn)程與RTSS進(jìn)程的通訊模塊是是通過共享內(nèi)存進(jìn)行的，共享內(nèi)存是定義在這兩個進(jìn)程下的特定的物理地址區(qū)域，在獲得指針后，兩個進(jìn)程就可以對其進(jìn)行讀寫操作。且在兩個進(jìn)程下的所有模塊都可直接調(diào)用此模塊中的共享內(nèi)存[6]。

圖10 Windows進(jìn)程與RTSS進(jìn)程間通信

3.3 主控系統(tǒng)主界面

主控軟件模塊的中心任務(wù)是對試驗(yàn)過程和飛行仿真模擬流程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，對測試數(shù)據(jù)顯示，如彈道軌跡、坐標(biāo)信息、姿態(tài)信息、視線信息等。

主控系統(tǒng)主界面設(shè)計分為四個部分，分別是：用戶操作、圖像顯示、曲線顯示以及具體數(shù)據(jù)顯示。主控系統(tǒng)主界面如圖11所示：

圖11 主控軟件界面

指令模塊欄采用Metro風(fēng)格，點(diǎn)擊不同的功能標(biāo)簽可以切換系統(tǒng)提供的各種功能。

4 結(jié)果分析與結(jié)論

激光制導(dǎo)半實(shí)物仿真主控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)流程控制、實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的采集、保存和顯示和處理功能。

測試主控系統(tǒng)功能通過閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，閉環(huán)仿真試驗(yàn)主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的全過程仿真。閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了主控系統(tǒng)完成了預(yù)期的功能要求。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1.流程控制功能，主要包括打開模型、參數(shù)設(shè)置、開始仿真、停止仿真和復(fù)位，具體見圖12左上角。

2.對測試數(shù)據(jù)的采集及顯示，測試數(shù)據(jù)主要包括導(dǎo)引頭方位信息、導(dǎo)彈彈道解算出的彈道數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)臺運(yùn)動數(shù)據(jù)。具體見圖12。

圖12 閉環(huán)仿真試驗(yàn)圖

3.閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存，在閉環(huán)試驗(yàn)中需要保存的數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動數(shù)據(jù)（如圖13）、彈道數(shù)據(jù)等。彈道數(shù)據(jù)保存的文件類型為.RTSS文件，可通過第三方軟件DisplaySimuData.exe工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換提取后導(dǎo)入Origin中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)如圖14所示。

通過半實(shí)物仿真系統(tǒng)的閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了主控系統(tǒng)完成了預(yù)期的功能。

圖13 轉(zhuǎn)臺追蹤性能數(shù)據(jù)記錄文件

圖14 導(dǎo)彈彈道解算出的彈道數(shù)據(jù)