機載布撒武器彈載動態信息采集與分析系統的設計與實現*

王 帥，劉豫東，朱啟文，江 坤

(1南京理工大學能源與動力工程學院，南京 210094;2南京信息職業技術學院，南京 210046)

0 引言

機載布撒武器是各國在總結海灣戰爭經驗的基礎上，按照低成本、多用途的要求，提出和發展的一種介于空地導彈和航空子母炸彈之間的新型武器，是一種能在敵防空火力外投放、能攜帶多種子彈藥、高精度、模塊化、全天候的滑翔型空地制導武器[1]。

機載布撒武器是一種集多種現代高新技術于一身的復雜武器系統，子彈藥拋撒機構作為多用途機載布撒武器系統的一個重要組成部分，子彈藥的拋撒和飛行狀態直接決定了武器系統最終的毀傷效果。目前在拋撒試驗中主要采用彈體飛行過程中傳感器采集信號傳遞到存儲器保存，試驗后回收存儲設備再使用專用信號讀出設備獲取子彈拋撒和飛行數據，但由于野外實驗環境復雜、存儲器容易損壞和存儲器電量不足等各種原因試驗后無法獲得數據。為了更有效的獲得子彈拋撒和飛行過程中的動態數據，文中根據某布撒武器拋撒系統的特點和試驗要求，設計和開發了彈載動態信息采集與分析系統。系統硬件和軟件的設計功能完善，方便了試驗數據的動態獲取、實時管理和后期分析。

1 系統功能

針對布撒武器開艙拋撒的工作過程，本系統主要實現了子彈拋撒過程中動態數據的采集、采集動態數據的無線分集實時傳輸、無線管理主機的遠程控制和采集與分析軟件對試驗數據的處理及分析等功能。

1)子彈動態數據采集功能。通過裝在子彈上的傳感器對開艙拋撒數據進行采集，并將采集到的子彈動態數據進行存儲。

2)動態數據無線分集實時傳輸功能。通過分集無線傳輸技術接收存儲的子彈動態數據，并將接收到數據進行傳輸。

3)無線管理主機遠程控制功能。通過無線方式向系統的各個部分發送命令，管理各部分間的無線數據通信，完成對各部分的無線控制。

4)采集與分析軟件對試驗數據的處理和分析功能。通過友好的人機交互界面對整個系統進行控制，并實現試驗數據的整理、分析、處理、存儲和查詢等功能，直觀地將試驗數據展現給用戶。

2 系統的組成

根據機載布撒器開艙拋撒的特點，以及對子彈拋撒動態數據采集和處理分析的要求，設計了彈載動態信息采集與分析系統。整個系統采用有線和無線相結合的方式將各子模塊緊密的連接起來，實現了各模塊間的協調工作和統一管理。本系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成，其硬件環境由中央控制計算機、信息記錄遠傳管理主機、無線節點中繼器和彈載動態信息記錄儀等設備構成。采集與分析軟件是以基于Windows系統下的交互式開發環境為核心，使用C#進行整體開發。通過硬件系統和軟件系統的密切配合，實現了設備控制、實時傳輸和數據分析等功能[2]。圖1描述了系統各部分間的數據交聯情況。

圖1 系統數據交聯圖

3 系統的硬件設計

彈載動態信息采集與分析系統的硬件主要由彈載動態數據采集模塊、動態數據無線分集傳輸模塊、彈載信息記錄遠傳管理主機和中央控制計算機等部分組成。各子模塊間并行運行，由中央控制計算機統一管理，實現了子模塊間的實時數據信息傳遞。圖2描述了系統各子模塊間的連接結構。

圖2 系統連接結構圖

3.1 彈載動態數據采集模塊

彈載動態數據采集模塊由彈載存儲單元、同體天線和傳感器數據接口等部分組成。機載布撒器進行拋撒試驗時該模塊裝在子彈內部，彈載存儲單元通過同體天線接收無線控制信號和發送子彈拋撒飛行動態數據，當接到中央控制計算機發布無線測試命令控制信號后開始工作，拋撒過程中自動采集裝在子彈上的傳感器數據并進行存儲，在子彈飛行過程中將數據經過同體天線進行傳輸[3]。

模塊可實現對拋撒過程中子彈動態數據的采集存儲和無線發送功能[4]。其技術指標如下：1)抗過載能力10000g;2)采樣通道4個;3)采樣分辨率12bits;4)采樣頻率25kSPS;5)存儲容量256kB×16bits;6)無線數據傳輸速率120kbps;7)數據保持時間15天;8)天線增益優于－2dB。

3.2 動態數據無線分集傳輸模塊

動態數據無線分集傳輸模塊由鞭狀天線、無線節點中繼器和數據線等部分組成。機載布撒器進行拋撒試驗時該模塊架設于地面，無線節點中繼器通過鞭狀天線向彈載動態數據采集模塊發送無線控制信號和接收采集到的動態飛行數據，并通過數據線傳輸。在進行多節點分集接收數據時，可調節鞭狀天線的方向，使其方向分布各異，達到理想的空間分集效果，使無線數據的丟包率在1%以下[5]。

模塊可實現對拋撒過程中子彈動態數據的無線接收和傳輸功能。其技術指標如下：1)工作頻率280～900 MHz;2)接收靈敏度－85dBm;3)發射接收輸出功率10dBm;4)無線數據傳輸速率240kbps;5)UTP網絡線連接。

3.3 彈載信息記錄遠傳管理主機

為了加強各模塊間的相互協作和提高數據傳輸速度，系統通過彈載信息記錄遠傳管理主機向各模塊發送控制命令，統一管理各模塊間的數據通信，對動態數據進行分集接收和綜合處理，實現對各模塊的無線控制和動態數據的傳輸功能。

3.4 中央控制計算機

中央控制計算機上裝有信息采集和分析軟件，用戶試驗時可以清楚了解到各模塊的工作狀態，通過友好的人機交互界面實現對整個系統的統一控制，試驗后可將試驗數據進行分析、處理和存儲。

4 系統的軟件設計

本系統的采集與分析軟件采用面向對象的設計方法，基于Windows系統環境，采用模塊化設計思想，使用C#進行整體開發，通過Access數據庫實現數據管理。軟件的整體框架劃分為前臺操作處理和后臺傳輸控制，前臺為用戶提供了一個友好的人機交互界面，用戶可以方便的進行硬件配置、系統控制和數據分析處理，后臺負責與硬件的交互，通過串口適配引擎與硬件進行數據的傳輸和解析。

4.1 軟件的功能模塊設計

根據機載布撒武器的試驗特點和設計要求，將采集與分析軟件整體功能進行模塊劃分，主要包括主模塊、單元管理模塊、戶外實驗模塊、信息查詢模塊、數據處理模塊和系統管理模塊。主模塊根據系統的工作狀態控制整個系統的軟件流程，調用各功能模塊，控制各個模塊之間的切換，實現系統各項功能。

在采集與分析軟件的設計中，為了更好的實現系統控制和數據傳輸，保證其可靠性和完整性，每個功能模塊又分有不同的子模塊，使用線程完成對模塊的各項操作。由于采用了模塊化結構，大大提高了系統的通用性、可靠性和實用性。根據系統的各項功能，軟件的設計方案如圖3所示。以下對各主要功能模塊進行說明。

圖3 軟件功能模塊設計圖

4.1.1 單元管理模塊

該模塊主要負責實現對彈載動態數據采集模塊的相關操作，完成對所使用彈載存儲單元名稱、地址、頻率和備注等信息的配置查詢，對采集數據所使用傳感器類型、靈敏度、量程、曲線顏色和備注等信息的配置查詢，通過可視化界面實現對彈載存儲單元和傳感器的配置、管理和查詢功能。

4.1.2 戶外實驗模塊

該模塊可針對某次機載布撒武器拋撒試驗的具體要求和目的，完成試驗前對實驗信息的填寫，查詢和配置連接在無線管理主機上的節點，試驗時喚醒彈載存儲單元使其處于工作狀態，并在試驗過程中實時顯示試驗數據。

4.1.3 信息查詢模塊

該模塊主要負責試驗信息的查詢及相關的處理操作，可根據所輸入條件查詢相應的試驗信息和相關數據，對原始試驗數據進行濾波處理和傅里葉變換等操作，還可導入外部數據與試驗數據進行對比分析，實現試驗后對數據的存儲查詢和分析處理功能。

4.1.4 數據操作模塊

該模塊主要負責完成對數據庫的相關操作，包括導入外部數據源到系統中，對系統中的數據庫進行備份，恢復備份數據到當前系統中。

4.1.5 系統管理模塊

該模塊記錄了整個系統的配置和維護等管理信息，通過查看系統日志可以查詢系統出現的警告信息、錯誤信息和歷史使用記錄等相關信息。

4.2 軟件的技術架構設計

在布撒器拋撒試驗時需要將傳感器采集到數字量轉化為被測的物理量，然后將其在各硬件模塊間進行傳輸，最后顯示在用戶界面上并進行圖形處理。為了更好的完成試驗任務，設計了包括控制引擎、數據處理引擎、串口適配引擎、圖形引擎和數據庫引擎的軟件整體架構，來實現系統的數據通信、數據顯示和數據處理等功能。圖4為軟件的整體技術架構，此圖描述了該軟件開發過程中所用到的技術模塊，以及各種技術模塊之間的銜接。

4.2.1 串口適配引擎

圖4 軟件整體技術架構

串口適配引擎主要由多端口匹配模塊、串口數據收發線程池和協議適配層組成。引擎通過多端口匹配模塊對連接的各端口進行適配，通過協議適配層定義的協議標準對當前連接的動態數據采集模塊和系統進行數據解析適配，利用串口收發線程池對數據進行收發，并通知界面線程進行數據顯示和保存。

4.2.2 數據處理引擎

數據處理引擎通過采用線程池技術對線程進行管理，為每個進程提供了一個線程池，一個線程池有若干個等待數據操作狀態，當一個等待操作完成時，線程池中的輔助線程會執行回調函數，從而提高了整個系統數據處理的工作效率，實現了動態數據的實時傳輸。

4.2.3 數據庫引擎

數據庫引擎主要由異構數據庫適配模塊、批量數據處理模塊和事務處理模塊組成，通過引擎實現各模塊間的協調工作，完成數據的批處理和快速存儲。

4.2.4 圖形引擎

為了實現試驗過程中子彈動態數據的實時顯示，同時保證圖形的完整性，設計了動態圖形繪制模塊和圖形實時補點模塊，使用戶可以實時的觀測到子彈的狀態，并處理動態數據可能出現的丟失情況。試驗后，為了更好的處理和分析數據圖形曲線，設計了圖形處理模塊和圖形分析模塊，使用戶可以方便的對數據圖形曲線進行放大縮小、截屏分屏對比、濾波和傅里葉變換等操作。

5 試驗驗證

彈載動態信息采集與分析系統已經在某機載布撒武器的拋撒試驗中進行應用，試驗時子彈內安裝有兩個加速度傳感器，分別接在彈載存儲單元的1和4傳感器通道上，試驗過程中系統成功的采集到了子彈的拋撒過載數據，試驗后經過濾波等分析處理得到了滿意的過載曲線。圖5、圖6為試驗時測得的過載曲線和濾波處理后過載曲線。

圖5 試驗實測過載曲線

圖6 濾波處理后過載曲線

6 結論

在機載布撒武器系統的總體設計中，子彈藥拋撒機構的結構設計關系到整個武器系統的總體性能，直接決定了武器系統最終的作戰威力，在機載布撒武器研制中至關重要。以前對子彈藥拋撒過程中的數據獲取主要采用試驗完成后回收數據采集裝置方式，試驗過程繁瑣、復雜且受環境影響大，往往由于各種原因無法有效地獲取試驗數據，大大影響試驗的效果。文中根據布撒武器拋撒試驗的測試需求，設計實現了彈載動態信息采集與分析系統。采集系統利用無線分集技術為拋撒試驗提供有效的動態數據分集采集和傳輸手段，分析系統實現了數據實時顯示、存儲和分析處理等功能，方便了對試驗數據的獲取、管理和后期分析。

[1]陶如意，王浩，王帥，等.子母戰斗部系統仿真平臺設計與實現[J].系統仿真學報，2010，22(5)：1121－1124.

[2]李春葆，潭成予，金晶，等.C#程序設計教程[M].北京：清華大學出版社，2010.

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[4]劉鋒，徐金梧，楊建宏，等.工業環境無線傳感器網絡分集技術[J].電子與信息學報，2010，32(12)：2970－2975.

[5]孫卓，權笑，王文博.采用分組糾錯編碼的多接入傳輸分集方法[J].北京郵電大學學報，2009，32(5)：6－9.