艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)的設計＊

吳小強

（海軍駐連云港七一六所軍事代表室 連云港 222061）

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術的高速發(fā)展以及軍用和民用領域對仿真技術的迫切需求，特別是在軍用領域，仿真技術已成為武器系統(tǒng)研制與試驗中的先導技術、檢驗技術和分析技術，被應用到武器系統(tǒng)的全生命周期，包括論證、設計、研制、定型測試驗收以及裝備后的模擬訓練過程中。在艦炮武器系統(tǒng)發(fā)展的過程中，針對其生命周期不同階段的仿真需求研制出了多種仿真測試系統(tǒng)以及模擬訓練設備，仿真測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)火控設備的測試功能，但不具備模擬訓練功能，而模擬訓練設備由于設備精密、造價昂貴等因素，除了實際裝備和設備研制單位的原型設備外，沒有實際器材可供靶場試驗人員進行訓練和研究。

根據某靶場對某型艦炮火控設備進行測試和對火控設備操作手進行訓練的需求，本文提出一種艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)建設方案，在采用商用計算機和操作系統(tǒng)的條件下，搭建了一個實時模擬測試平臺，為火控設備測試提供仿真戰(zhàn)場環(huán)境信息及火控設備外部驅動信息，并對火控設備的性能指標進行評估；同時從設備功能、操作流程、人機交互、界面顯示等方面對火控設備進行高逼真度模擬，提高操作手訓練的沉浸感和真實感。系統(tǒng)已成功研制，應用結果表明該系統(tǒng)能夠較好地滿足靶場的定型試驗及訓練需求。

2 艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)組成

為完成艦炮火控設備的模擬與測試兩大任務，艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)要求具備戰(zhàn)場環(huán)境仿真能力、火控設備外圍信息仿真能力、數(shù)據錄取和評估能力以及火控設備模擬能力。采用模塊化設計思想可將系統(tǒng)劃分為綜合控制臺與接口機柜兩部分。接口機柜包括戰(zhàn)情仿真單元、艦炮系統(tǒng)信息仿真單元和數(shù)據采集處理單元，主要完成火控設備測試功能；綜合控制臺包括任務計算機和人機接口計算機，主要完成火控設備模擬功能。艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)組成圖

2.1.1 戰(zhàn)情仿真單元

戰(zhàn)情仿真單元通過提供方便友好的人機界面，輔助用戶設定戰(zhàn)場初始態(tài)勢、規(guī)劃我艦及目標運動航路，能夠模擬生成目標航路、我艦航路及姿態(tài)等信息，為火控設備測試提供所需的戰(zhàn)場態(tài)勢環(huán)境；并能控制系統(tǒng)進行初始化、運行和結束等操作以及根據真實目標的航路數(shù)據文件進行航路復現(xiàn)。

2.1.2 艦炮系統(tǒng)信息仿真單元

艦炮系統(tǒng)信息仿真單元具有跟蹤雷達、光電、捷聯(lián)設備和艦炮全數(shù)字仿真功能；能根據火控目標指數(shù)據和仿真目標的航路真值、我艦航路和姿態(tài)真值，解算輸出跟蹤雷達目標的跟蹤數(shù)據、光電目標的跟蹤數(shù)據，根據火控諸元數(shù)據仿真輸出艦炮架位數(shù)據，根據己艦姿態(tài)真值解算輸出捷聯(lián)數(shù)據，并用解算出的數(shù)據驅動火控設備按作戰(zhàn)過程工作。

2.1.3 數(shù)據采集處理單元

數(shù)據采集處理單元能對艦炮火控設備輸出的網絡數(shù)據進行監(jiān)聽、解析并記錄成文件，能解算火控諸元真值、對火控諸元數(shù)據進行精度評估。

2.1.4 任務計算機

任務計算機能接收并處理目標指示數(shù)據，進行火力通道組織，給模擬跟蹤雷達和模擬光電跟蹤儀發(fā)送目標指示數(shù)據，可同時接收來自跟蹤雷達和光電跟蹤儀的目標跟蹤數(shù)據，以及來自捷聯(lián)垂直基準的我艦運動、姿態(tài)參數(shù)，計算目標運動要素，采用射表逼近和實時積分解彈道微分方程兩種算法，求取射擊諸元。

2.1.5 人機接口計算機

人機接口計算機主要完成人機交互功能，響應用戶對跟蹤球、觸摸屏、數(shù)字鍵盤、擴展鍵盤及操縱桿的各種操作命令，完成綜合圖形和表頁顯示，對跟蹤雷達、光電跟蹤儀、艦炮、捷聯(lián)垂直基準數(shù)據和狀態(tài)進行顯示。

2.2 系統(tǒng)工作方式

艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)具有火控設備測試和火控設備模擬兩種工作方式。

圖2 艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)工作流程圖

在火控設備測試工作方式下，綜合控制臺不工作，接口機柜通過以太網與被試艦炮火控設備相連，戰(zhàn)情仿真單元生成目標航路信息和己艦姿態(tài)、航路信息，并將模擬出的作戰(zhàn)系統(tǒng)目指數(shù)據發(fā)送給被試艦炮火控設備，被試艦炮火控設備在戰(zhàn)斗方式下工作，根據作戰(zhàn)系統(tǒng)目指數(shù)據解算輸出火控目指數(shù)據，并根據艦炮系統(tǒng)信息仿真單元輸出的目標跟蹤數(shù)據、捷聯(lián)數(shù)據，計算輸出火控諸元數(shù)據；數(shù)據采集處理單元采集艦炮火控設備輸出數(shù)據，對火控設備的反應時間、輸出諸元精度進行評估。

在火控設備模擬工作方式下，模擬測試系統(tǒng)的綜合控制臺和接口機柜自成體系，完成艦炮火控設備模擬功能；接口機柜戰(zhàn)情仿真單元發(fā)送操控信息實現(xiàn)接口機柜內各計算機運行控制、戰(zhàn)情信息模擬輸出，艦炮系統(tǒng)信息仿真單元根據戰(zhàn)情信息模擬發(fā)送情報目指數(shù)據、捷聯(lián)數(shù)據，根據戰(zhàn)情信息及火控目指數(shù)據模擬發(fā)送跟蹤雷達目標跟蹤數(shù)據、光電目標跟蹤數(shù)據，根據火控諸元數(shù)據模擬發(fā)送火炮架位數(shù)據；火控設備操作手根據試驗任務及操作流程對綜合控制臺的人機接口計算機進行各種操作，任務計算機根據捷聯(lián)數(shù)據、跟蹤雷達目標跟蹤數(shù)據、光電目標跟蹤數(shù)據解算輸出火控諸元數(shù)據。

艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)在兩種工作方式下的工作流程如圖2所示。

3 艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)的主要關鍵技術

3.1 實時模擬測試平臺技術

隨著艦炮武器的發(fā)展，對火控設備模擬測試平臺提出了很高的要求。一方面，要求模擬測試平臺擁有完善的通用功能，例如具有強大圖形顯示功能、較強的硬件支持；另一方面，要求模擬測試平臺具有硬實時特征，支持在較短的模擬周期內以最小的時延完成對目標系統(tǒng)的實時信息驅動，達到與VxWorks同級的實時處理效果，從而保證與火控設備的時間同步精度。采用Windows操作系統(tǒng)的商用計算機無疑具有前一特征，但由于其設計上的通用性考慮，是非實時的模擬測試平臺，不能滿足與VxWorks系統(tǒng)保持時間同步、數(shù)據及時通信的要求，模擬測試系統(tǒng)通過在Windows中嵌入實時擴展模塊RTX來解決這個問題。

RTX是美國IntervalZero公司推出解決Windows強實時性的擴展模塊。RTX為了在Windows操作系統(tǒng)下實現(xiàn)實時特征，充分利用Windows良好的可擴展體系結構增加了一個實時子系統(tǒng)，并修改和擴展了硬件抽象層—HAL（Hardware Abstract Layer）。RTX能滿足一個實時操作系統(tǒng)所具備的多任務、基于優(yōu)先級的搶占調度、快速靈活的任務間通信與同步、方便任務與中斷之間的通信等特點。

基于Windows和RTX的特性，可采用以下方式構建艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)的應用軟件。將應用軟件劃分成兩部分：實時進程（RTX進程）和非實時進程（Windows進程）。時間同步、模型解算、網絡通信等實時性要求高的功能模塊放到RTX進程里實現(xiàn)，界面顯示、人機交互等允許有一些時延的功能模塊放到Windows進程中；實時進程和非實時進程按系統(tǒng)運行機制，通過實時信號量和共享內存將兩部分有機結合在一起。

3.2 艦炮火控設備高逼真度仿真技術

對艦炮火控設備的高逼真度仿真包括硬件和軟件兩方面。

為實現(xiàn)對艦炮火控設備的高逼真度模擬，提高訓練的沉浸感和真實性，綜合控制臺參照實裝火控臺的設備組成及布局，同樣由主顯示器單元、副顯示器單元、操控單元、電子機箱單元組成，其中操控單元包括跟蹤球、操縱桿、數(shù)字小鍵盤、擴展鍵盤、可編程觸摸鍵盤，電子機箱單元由兩臺商用計算機組成，分別作為任務計算機和人機接口計算機的主機，最大程度實現(xiàn)了與實裝硬件設備的外觀一致性。綜合控制臺的軟件界面，完全參照實裝火控設備顯示界面的布局、風格進行設計，整個綜合控制臺的操控流程按照火控設備的實操過程來實施，真正實現(xiàn)與艦炮火控設備的高度一致性；也可將火控設備使用的核心功能軟件，如火控解算模塊和戰(zhàn)術軟件模塊直接嵌入綜合控制臺的任務計算機軟件，提高模擬火控設備數(shù)據精度及戰(zhàn)術響應的逼真度。

3.3 跟蹤傳感器誤差仿真技術

某型艦炮武器系統(tǒng)的主要特點是對超高速目標進行作戰(zhàn)，數(shù)據頻率高達100Hz，對跟蹤器的仿真提出了更高要求。在傳統(tǒng)的跟蹤傳感器仿真中，使用正態(tài)隨機誤差模型模擬傳感器跟蹤誤差，模擬的跟蹤數(shù)據統(tǒng)計特性較好，但時序特性與實際裝備的差距較遠，對火控設備進行模擬測試的意義不大；而單脈沖雷達模擬由于按照雷達工作機理完成建模，仿真過程復雜，其誤差統(tǒng)計特性不易控制，且耗時量大，實時性無法保證。針對跟蹤傳感器探測數(shù)據誤差特性，建立復合正態(tài)平穩(wěn)隨機誤差模型，并通過對仿真結果的分析，選取合理模型系數(shù)，實現(xiàn)了更加符合裝備傳感器誤差特性的仿真，達到了高頻率實時條件下跟蹤傳感器高性能仿真要求。

3.3.1 正態(tài)平穩(wěn)隨機過程模型

正態(tài)平穩(wěn)隨機過程模擬數(shù)學模型：

誤差ΔX（t），對應于距離、舷角、高低角，X分別為D、Q、ε。

數(shù)學期望：

相關函數(shù)：

測量誤差的模擬：

3.3.2 實測數(shù)據的相關性分析

由于空中目標飛行速度快，跟蹤傳感器探測方位有限，所以單個航次的測量數(shù)據數(shù)量有限，分析過程中將同一類型目標的多個航次數(shù)據按順序排列進行統(tǒng)一分析。首先考慮到不同航次的測量系統(tǒng)誤差有較大差別，對每個航次誤差數(shù)據進行預處理，每個航次誤差點數(shù)據減去該航次的系統(tǒng)誤差，得到0均值的誤差序列數(shù)據；其次對兩個航次相接處有選擇地去掉部分點，保證前一航次最后一個點誤差與后一航次第一個點誤差之間沒有大的跳變；最后對統(tǒng)一的誤差序列進行相關性分析，計算相關系數(shù)ρ。

3.3.3 仿真及結果分析

以某跟蹤雷達對無人機跟蹤測量的舷角數(shù)據進行分析和仿真，按照其性能指標和相關性的統(tǒng)計結果進行“正態(tài)平穩(wěn)”和“正態(tài)隨機”兩種方法仿真，實測誤差與兩種不同方法仿真誤差的對比關系如圖3所示。

圖3 仿真結果對比

將仿真數(shù)據、實測數(shù)據分別進行系統(tǒng)誤差、隨機誤差與相關性的統(tǒng)計對比，結果見表1，由此可見正態(tài)平穩(wěn)仿真更加符合實際測量結果。

表1 兩種方法仿真數(shù)據統(tǒng)計與實測結果比對表

4 結語

本文介紹了艦炮火控設備模擬與測試系統(tǒng)的組成及工作方式，闡述了系統(tǒng)設計中部分關鍵技術的解決方法。研制出的系統(tǒng)實現(xiàn)了火控設備測試和模擬兩大功能，已成功應用于某型艦炮火控設備的定型試驗，并用來對操作手進行日常訓練，實踐證明了系統(tǒng)設計的正確性。同時系統(tǒng)采用了通用的商用技術，經濟、實用、可靠，方便未來針對新型艦炮武器系統(tǒng)進行適應性改造。

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［2］現(xiàn)代艦艇火控系統(tǒng)編寫組.現(xiàn)代艦艇火控系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［3］程健慶.仿真建模技術在新型艦炮武器系統(tǒng)試驗中的應用［J］.計算機仿真，2002，19（1）：54－58.

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［5］孫東彥，潘紅華，徐明.某型艦炮火控系統(tǒng)建模與仿真［J］.火力與指揮控制，2006，31（12）：37－40.