導彈發射車狀態監測系統設計

趙京坡，王蘭志，崔孟楠，皮 俊，陳 鵬

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導彈發射車狀態監測系統設計

趙京坡1，王蘭志1，崔孟楠1，皮 俊2，陳 鵬2

（1. 北京航天發射技術研究所，北京，100076；2. 湖南云箭集團有限公司，長沙，419503）

針對某型導彈發射車在實戰化操作和綜合保障方面的迫切需求，在分析該型發射車技術現狀基礎上，基于插入法進行信息化改造，設計并實現了一種適合該型發射車的狀態監測系統。該系統基于CAN總線進行架構設計，便于分布式信息采集和功能擴展。采用高阻抗射極跟隨電路、光耦隔離電路實現原有車載系統數字、模擬、串行通信等多種信號的采集，不影響原有系統的可靠性。經試驗驗證，該狀態監測系統能夠實現該型發射車在機動行駛、導彈發射流程中車載分系統的狀態實時監測、數據記錄和分析。該系統的應用可提高該型發射車在車載信息應用、作戰流程可視化以及綜合保障等方面的性能。

導彈發射車；信息化改造；狀態監測系統

0 引 言

為適應信息化戰爭和實戰化需求，武器裝備作戰平臺信息化改造是當前實現武器裝備信息化的重要途徑，是提升在役武器裝備作戰效能的重要方法[1]。導彈發射車是具有運輸、起豎和發射導彈等多功能的專用車輛，是導彈武器系統重要的組成部分，導彈發射車的信息化水平在很大程度上影響整個武器系統的作戰效能。

某型導彈發射車（下文簡稱“發射車”）限于設計時的技術水平，在目前的作戰運用中暴露了諸多不足，包括車載各分系統相對獨立缺少信息交互、缺少發射車使用過程數據獲取手段、發射流程信息顯示手段落后等，亟需開展信息化改造。

1 某型導彈發射車信息化改造需求分析

某型發射車主要組成包括：底盤，供配電系統、控制系統，液壓系統，定位定向系統，導彈測發控系統，指揮控制系統等。其中底盤實現發射車的載彈機動運輸，并為上裝設備提供承載平臺；供配電系統包括柴油發電機組、整流裝置、配電裝置等，為發射車除底盤外的其他車載用電系統提供交流和直流電；控制系統協同液壓系統及其他執行機構，實現發射流程發射車展開、導彈起豎和撤收等功能；定位定向系統在機動過程為指揮控制系統提供發射車經度、緯度、高程、航向等信息，在發射階段為彈上慣組提供北向基準；導彈測發控系統實現導彈的測試、發射和控制等功能；指揮控制系統實現作戰指揮、控制和通信等功能。

限于該型發射車研制時期的技術水平，發射車車載各分系統采用獨立設計，相互之間無信息交互，未設置信息采集和存儲設備；發射車底盤、供配電系統、控制系統等分系統的工作狀態采用機械表或數碼管顯示，顯示信息有限且不直觀；發射車在出現故障時，依賴外觀、聲音等進行故障排查，排除故障時間長。該型發射車交付部隊后，在訓練、作戰使用過程中逐步暴露了在操作使用和維修保障方面的不足。

針對該型發射車的以上不足，提出如下信息化改造需求：a）增加底盤、柴油發電機組的在線監測功能；b）提升控制系統操作過程的可視化效果；c）增加發射車主要分系統工作狀態的異常報警功能；d）增加發射車行駛軌跡記錄功能；e）設置車載各分系統工作狀態和數據的記錄裝置，增加發射車主要分系統狀態信息的存儲、處理和統計分析功能。

2 狀態監測系統方案設計和實現

為滿足以上信息化改造需求，需要在該型發射車上加裝狀態監測系統。為了最小程度影響該型發射車原有技術狀態，進行最小的改動，確保其在完成信息化改造后快速投入作戰使用，采用插入法作為該型發射車信息化改造的實施方法。插入法是在現有武器裝備平臺上插入先進的信息裝備，實現現有裝備的戰術技術指標性能提升，該方法具有投入少、周期短、見效快、效費比高的特點[2]。

2.1 狀態監測系統總體方案設計

狀態監測系統主要由底盤采集終端、供配電系統采集終端、控制系統采集及顯示終端、信息處理主機、行車顯示終端等組成，如圖1所示。

圖1 狀態監測系統組成

狀態監測系統各組成部分的布局位置如下：

a）信息處理主機設置在發射車中部設備艙內；

b）底盤采集終端設置在發射車駕駛室儀表盤下方，就近采集車輛底盤的數據信息；

c）行車顯示終端設置在駕駛室駕駛員位置右前側，便于駕駛員觀察；

d）供配電系統采集終端設置在供配電系統發電機組控制箱附近；

e）控制系統采集及顯示終端設置在控制系統操控單元上方，便于操作人員觀察。

狀態監測系統各組成部分的具體功能如下：

a）信息采集主機是整個系統的核心，負責底盤、控制系統、供配電系統數據的接收以及整個系統的數據分析、處理和存儲。信息采集主機配置以太網接口和USB接口，可實現對外的數據通信。

b）底盤采集終端設計有脈沖信號輸入通道、數字輸入通道和模擬量輸入通道。其中脈沖信號輸入通道采集發動機的轉速、車輛的行駛速度，通過這些數據可以分析出發動機的工作時間、車輛行駛里程；模擬量輸入通道采集發動機的溫度、機油壓力信號。

c）行車顯示終端通過CAN總線接收信息采集主機傳輸過來的底盤、供配電系統和定位定向系統的工作狀態信息、提醒信息以及報警信息，進行相應內容的顯示并具有聲音報警功能，及時提醒駕駛員進行維修保養。

d）供配電系統采集終端基于供配電系統的電壓表獲取工作電壓，基于發電機組機油壓力表獲取機油壓力信息，基于發電機組機油溫度表獲取機油溫度信息，實現模擬信號向數字信號的轉換。通過套裝在供配電系統輸出正極的線纜上的電流互感器測量供配電系統的工作電流。

供配電系統采集終端將電壓、電流、發電機組機油壓力、發電機組機油溫度通過CAN總線傳輸至信息處理主機，信息處理主機一方面將這些信息進行存儲，另一方面傳輸至行車顯示終端進行顯示。

e）控制系統采集及顯示終端，采用光電隔離電路連接控制系統操控單元，將數碼管控制信號轉換為與實際工步相對應的信息，主要包括展車、起豎、回平、撤收流程控制指令，以及展車水平度、起豎角度、回平角度或撤收水平度反饋信息。控制系統采集及顯示終端將這些信息以中文形式進行顯示，并通過CAN總線傳輸至信息處理主機進行存儲。

f）電纜網包括供電電纜、CAN總線電纜、信號采集電纜等，分別完成供電、CAN總線數據傳輸、傳感器信息采集等功能。

2.2 狀態監測系統采集信號梳理

狀態監測系統首先要實現各主要分系統信號的采集，然后進行分析、顯示和存儲。狀態監測系統采集的信號匯總如表1所示。

表1 狀態監測系統采集信號匯總

Tab.1 Signals of the Status Monitoring System

分系統參數名稱參數類型參數路數參數分辨率 底盤發動機轉速/（r·min-1）數字信號1路1 發動機機油壓力/MPa模擬信號1路1 發動機機油溫度/℃模擬信號1路1 車速/（km·h-1）脈沖信號1路0.1 供配電系統電壓/V模擬信號2路0.1 電流/A模擬信號2路0.1 發電機組機油壓力/MPa模擬信號1路1 發電機組機油溫度/℃模擬信號1路1 控制系統數碼管控制信號數字信號85路— 定位定向系統經度/（″）RS422信號1路1 緯度/（″）RS422信號1路1 高程/（″）RS422信號1路1 航向/（″）RS422信號1路1

由表1可知，狀態監測系統采集信號可分為模擬信號、數字信號、RS422通信信號、里程計脈沖信號，需根據參數不同的數據類型，采用對應的采集方法。

2.3 狀態監測系統功能實現

為實現狀態監測系統的相關功能，需要確定各單機的硬件連接方式和軟件協議、表1中各類信號的采集方法、數據顯示方式以及信息存儲及處理方式等設計內容。

a）CAN總線連接方式。

底盤采集終端、供配電系統采集終端、控制系統采集及顯示終端、信息處理主機、行車顯示終端通過CAN總線進行連接，實現CAN總線數據的傳輸，總線采用CAN2.0B協議，波特率為250 kbit/s。

為了保證通信的抗干擾性和可靠性，在總線兩端的高電平和低電平間各設置1個120 Ω的終端匹配電阻[3]。狀態監測系統各單機連接方式如圖2所示。

圖2 狀態監測系統CAN總線示意

b）模擬信號采集方法。

原始模擬信號首先經過濾波電路濾除干擾毛刺，再經過高阻抗射極跟隨電路實現對原電路信號的采集，再經過光耦隔離電路，實現原電路供配電和采集終端供電的隔離，以確保采集終端供電對原電路無影響。隔離后的模擬信號經過A/D轉換電路轉換為數字信號，然后送入采集終端的CPU。模擬信號采集流程如圖3所示。

圖3 模擬信號采集流程

c）數字信號采集方法。

原始數字信號（里程計信號除外）經過光耦隔離電路后，由采集終端的數字I/O口進行采集并解算成具有物理含義的信息。數字信號采集流程如圖4所示。

圖4 數字信號采集流程

d）脈沖信號采集方法。

以底盤里程計脈沖信號為例介紹脈沖信號采集方法。底盤里程計脈沖信號經過光耦隔離電路后，由底盤采集終端CPU進行速度解算得到發射車的行駛速度，再經過積分解算得到發射車的行駛里程。速度和里程信息獲取流程如圖5所示。

圖5 里程計脈沖信號采集流程

e）供配電系統電流采集方法。

依據電磁感應原理，將電流互感器套裝在供配電系統輸出電壓線纜的正極上，獲取供配電系統的實時工作電流信息，如圖6所示。

圖6 電流采集示意

f）控制系統發射流程顯示。

根據控制系統操控單元數碼管控制信號與發射流程工步信息的對應關系，構建數碼管信號對應關系文件，控制系統采集及顯示終端軟件根據數碼管狀態實現發射流程工步信息的中文顯示。以起豎流程為例，控制系統采集及顯示終端軟件查詢數碼管信號對應關系文件，顯示起豎過程起豎工步的中文信息、起豎角度以及故障的中文信息。展車、回平、撤收流程的實現過程與起豎流程相同。

g）行車顯示終端信息顯示。

行車顯示終端接收信息處理主機發送過來的底盤、供配電系統和定位定向系統的數據，并實時顯示底盤、供配電系統和定位定向系統工作狀態，其中底盤轉速、車速、里程，供配電系統工作電壓、電流，定位定向系統的經度、緯度、高程、航向，按解算結果直接顯示；底盤發動機機油壓力、機油溫度和供配電系統發電機組機油壓力、機油溫度，不僅要顯示其數值，還要根據其數值范圍給出報警指示。

底盤發動機機油壓力、供配電系統發電機組機油壓力報警指示根據其下限值設定值確定。底盤發動機機油壓力正常范圍為0.05～0.5 MPa，顯示溫度值，并以綠色指示燈指示；當低于0.05 MPa時以紅色閃爍指示燈進行機油壓力低報警。供配電系統發電機組機油壓力正常范圍為0.14～0.5 MPa，顯示溫度值，并以綠色指示燈指示；當低于0.14 MPa時以紅色閃爍指示燈進行機油壓力低報警。

底盤發動機機油溫度、供配電系統發電機組機油溫度報警指示根據其上限值設定值確定。機油溫度范圍為：+50～+150 ℃，其中+50～+130 ℃為正常范圍，顯示溫度值，并以綠色指示燈指示；+130～+150 ℃為報警范圍，顯示溫度值，并以紅色閃爍指示燈指示。

h）信息處理主機信息存儲及處理方式。

選用FLASH存儲器作為數據記錄的存儲單元，實時存儲信息包括：底盤轉速、車速、里程、機油壓力、機油溫度，供配電系統電壓、電流、發電機機油壓力、機油溫度，控制系統發射流程工步信息，以及定位定向系統的定位、定向信息。存儲方式基于自動循環覆蓋策略，即當FLASH存儲空間不足時，將從存儲單元初始位置覆蓋原有存儲數據，以保證存儲最新數據。

為實現發射車狀態信息的統計分析功能，開發了基于Windows操作系統的數據管理處理軟件，構建了用于存儲“信息處理主機”中數據的數據庫。數據管理處理軟件可以進行發射車各分系統狀態的查看、歷史數據查閱、故障報警信息顯示、報表生成打印等，該軟件的實現主要涉及軟件架構設計、數據庫設計、交互界面設計、軟件代碼實現和測試等，本文不對該軟件展開論述。

3 狀態監測系統車載狀態試驗驗證

由于該型發射車交付部隊使用時間長，對于溫度、壓力、車速等傳感器，需要通過現場標定的方式獲取其特性參數；對于發射流程過程信息顯示，需要實際開展多次發射流程演練，將控制系統采集及顯示終端的顯示值與控制系統操控單元操作界面的數碼管顯示值進行對比，確認兩者顯示狀態一致；對于定位定向信息，需要開展發射車實際跑車試驗，將行車顯示終端顯示和記錄的定位定向信息，與車載定位定向系統自身記錄的數據進行對比，確認兩者數據一致。

本文研制的狀態監測系統在發射車上進行了發射車靜態和動態跑車試驗驗證，各項功能均滿足前文所需功能需求。

3.1 模擬信號傳感器特性參數標定

對于模擬信號，采用分段插值方法得到傳感器特性參數。以發動機機油溫度傳感器為例，在A/D轉換電路前端獲取某個溫度值對應的電壓信號，測試數據如表2所示。

表2 發動機機油溫度測試數據

Tab.2 Test Data of the Engine's Oil Temperature

序號電壓值/V溫度值/℃ 14.4350 22.8090 31.15130 40.85150 50.67170

為降低對CPU計算能力的需求，采用拉格朗日插值公式的一次插值多項式擬合兩個采樣電壓之間的溫度函數[4]：

式中 為A/D轉換電路前端電壓值；為對應發動機機油溫度；為臨近兩個采樣電壓值；為臨近兩個對應發動機機油溫度。以為例，得出兩個采樣電壓點之間任意電壓對應的溫度值，如測得電壓為3 V，則可算得對應機油溫度為85 ℃。按此方法得出擬合曲線如圖7所示。

3.2 脈沖信號傳感器特性參數標定

對于脈沖信號，采取多次取樣求均值的方法得到傳感器特性參數。以里程計傳感器為例，測試得到的脈沖數與車速數據如表3所示，得出每個脈沖對應速度為0.4167 km/h。

表3 里程計測試數據

Tab.3 Odometer Test Data

序號速度/（km·h-1）脈沖數/個不同脈沖對應速度/（km·h-1） 15120.4167 215360.4167 320480.4167 425600.4167 535840.4167 640960.4167 7451080.4167 8501200.4167 均值0.4167

3.3 狀態信息顯示示例

以控制系統采集及顯示終端顯示界面為例，該界面可以顯示發射流程過程中的控制指令、角度信息、工步信息、數碼管狀態、工作狀態等，如圖8所示。該種顯示方式可顯著提升發射流程的可視化效果。

圖8 控制系統采集及顯示終端顯示界面

4 結束語

該狀態監測系統具有如下優點：

a）基于CAN總線進行系統架構設計，便于分布式信息采集和功能擴展；

b）除套裝在供配電系統輸出正極的線纜上的電流互感器外，不增加其他傳感器，對現有發射車技術狀態影響小，便于工程實施；

c）基于高阻抗射極跟隨采集及光電隔離電路，對原系統電路影響小，不影響原有系統的可靠性；

d）實現底盤發動機轉速、里程、機油壓力和機油溫度等信息的采集和顯示，一方面便于駕駛人員觀察，另一方面保障人員可依據里程對發射車進行保養；

e）實現供配電系統工作狀態實時監測，便于故障排查和對發電機組進行日常保養；

f）實現控制系統工步流程中文顯示和故障信息顯示，彌補了原控制單機數碼管信息可讀性差的不足，降低操作人員對數碼管顯示信息的記憶難度，避免導彈發射過程由于操作人員緊張出現的誤操作；

g）信息處理主機能夠實現底盤、供配電系統、控制系統工作狀態的實時存儲，可根據這些存儲信息開展發射車的歷史狀態和故障查詢，從而實現對發射車狀態的評估。

該狀態監測系統需要完善的方面：

a）該狀態監測系統僅考慮發射車相關分系統的狀態采集，未考慮與導彈相關的測發控系統，以及與作戰指揮相關的指控控制系統；

b）該狀態監測系統僅實現了單輛發射車的信息化改造，未實現車輛與車輛之間，車輛與作戰控制中心之間的信息交互；

c）該狀態監測系統僅實現了一些主要參數的異常報警功能，未實現整車級的健康管理功能，不具備故障診斷、故障隔離及故障預測功能。

綜上所述，基于某型發射車進行信息化改造，所設計的狀態監測系統能夠提高該型發射車在車載信息獲取和應用、作戰流程可視化以及綜合保障等方面的性能，有利于提升該型發射車的作戰效能和實戰化能力，對于其他類型發射車信息化改造具有一定的借鑒意義。同時，在整車系統級信息化改造、作戰單元級信息化水平提升、健康管理技術應用等方面還有較大的提升空間。

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Jiao Shengxi. Design of in-vehicle network system based on CAN bus technology[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2011, 39(17): 77-79.

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Design of Status Monitoring System for Missile Launching Vehicle

Zhao Jing-po1, Wang Lan-zhi1, Cui Meng-nan1, Pi Jun2, Chen Peng2

(1. Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076; 2. Hunan Vanguard Group Co.Ltd, Changsha, 419503)

A status monitoring system is designed and implemented based on analysis of the vehicle's technique situation. Insertion method is adopted in the process of the vehicle's information reformation. The system’s architecture is based on CAN-bus, which is suitable for distributed information collection and function extension. The high-impedance emitter following circuit and photoelectric isolation circuit, which do not affect the reliability of the original system, are adopted to collect the digital, analog and serial communication signals of the original vehicle-mounted system. The test shows that the status monitoring system can realize real-time monitoring, data recording and analysis of the vehicle-mounted sub-systems, when the launching vehicle is driving or in the process of launching missile. The application of this system can improve the vehicle's effectiveness in terms of vehicle-mounted information application, combat process visualization, and integrated support.

Missile launching vehicle; Information reformation; Status monitoring system

1004-7182(2018)01-0084-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20180117

TJ812.6

A

2017-08-01；

2017-10-09

趙京坡（1982-），男，高級工程師，主要研究方向為導彈發射總體技術