靶彈一體化技術支援系統設計與實現

(中國人民解放軍91851部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

靶彈是模擬敵方來襲導彈類目標的實體靶標, 在防空兵器試驗和部隊訓練中發揮著重要作用[1-2]。在實戰化試訓背景下，靶彈技術性能不斷升級，使用保障要求也越來越高。以往的靶彈技術支援系統大都按由分立設備組建，通用性差，拓展能力有限，各專業的維修保障經驗不能有效共享，嚴重制約著供靶保障能力和戰備水平的提高。

本文采用PXI總線技術和以太網構建了一套性能先進、結構靈活、可充分重組的靶彈一體化技術支援系統。系統功能高度集成，能夠滿足測試、遙測、遙控等專業多樣化的保障需求，形成從技術準備、發射供靶到訓練效果評估的全流程技術支持能力，有效提升靶彈技術保障的水平和層次。

1 系統總體架構

1.1 系統功能需求分析

靶彈工作流程可分為技術陣地準備、發射陣地供靶和事后分析評估3個階段，綜合分析每個階段的特點與需求，系統應具備以下具體功能：

1)具備靶彈平臺的測試功能；

2)具備靶彈任務設備(遙測、外測、安控)的測試功能；

3)具備遙測信號的無線接收、實時處理(挑路、顯示、輸出)及事后處理功能;

4)具備靶彈遙控功能；

5) 具備系統自檢、標校、工作數據存儲與分析功能。

1.2 系統架構設計

系統利用PXI系統開放性[3-5]的特點，以以太網(Ethernet)和PXI測控模塊為基礎，構建了一套實時性好、結構靈活、數據共享的測控平臺。系統由綜合檢測控制臺和多個便攜式測控站構成。綜合檢測控制臺是系統的控制核心，負責靶彈測控、管理調度、系統維護等任務。便攜式測控站負責遙測信號的接收與遙控指令的發射。綜合檢測控制臺和便攜式測控站采用網絡連接，構成分布式測控系統。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構示意圖

2 系統硬件設計

2.1 綜合檢測控制臺設計

2.1.1 綜合檢測控制臺組成及模塊選型

綜合檢測控制臺采用基于PXI體系結構的虛擬儀器測控方案，由測試機箱、測試計算機、測試功能模塊、信號調理模塊等部件組成。其中測試計算機及測試功能模塊是系統的測量與控制中樞[6]。測試計算機選用擇NI公司的PXIe-8821嵌入式控制器。測試功能模塊提供數據采集、模擬量輸出、開關量電平判斷、開關量輸出、串口通信等具體測控功能，各類測試資源[7]如表1所示。

表1 綜合檢測控制臺測試資源列表

2.1.2 測試機箱設計

測試機箱采用垂直插卡結構和背板定制化設計，計算機模塊、測試功能模塊、信號調理模塊均采取帶助拔器的機構形式，插入機箱對應槽位與背板連接，并通過插拔器與橫梁鎖緊。這種連接方式結構緊湊、拆裝方便、具有良好的電氣機械性能和高可靠性。綜合檢測控制臺內部結構如圖2所示。

圖2 綜合檢測控制臺內部結構示意圖

為保證測試機箱具有良好的環境適應性，將發熱量大的模塊布置在外層，通過機箱殼體傳導散熱，同時選擇風扇進行散熱。根據PXI規范的要求，風流必須是由下往上散熱[8-9]，所以將風扇配置于機箱上方，采取向外抽風的設計。綜合檢測控制臺散熱模型如圖3所示。

2.1.3 信號調理模塊設計

由于靶彈平臺及任務設備輸入/輸出信號的邏輯關系錯綜復雜，動作時序要求極為苛刻，因此系統設計時重視各種測控信號的調理適配。嚴格保持與靶彈全備(各任務設備均加載)狀態良好的電氣接口匹配，決不容許對靶彈系統及運行參數產生不良影響。所有開關量輸入信號全部采用光電方式隔離；所有開關量(指令信號)輸出信號全部采用繼電器方式隔離；模擬量采集模塊選用雙端差動輸入，實現設備地線與外部地線的隔離；模擬量輸出模塊采用由被試對象提供電源的差動運算放大器輸出，實現設備地線與外部地線的隔離。

1)模擬量輸入信號調理：模擬量輸入信號的幅值與類型各有不同。交流信號有兩相115 V和三相36 V兩路。直流信號有12路，幅值范圍分別為+5 V、±15 V、±30 V、+50 V。模擬量采集模塊PXI-6229的采集范圍是DC±10 V，超出此范圍的信號會給模塊造成不可逆的損壞。

確保檢測安全，對于交流信號，系統首先進行檢波，將其轉換成10 V以內的直流信號然后再進行采集，交流輸入信號調理電路如圖4所示。對于輸入信號范圍在±10 V以內的直流信號，由射隨器跟隨處理后直接進行采集；對于超過量程范圍的直流信號，高精度運放分壓后再進行采集，匹配電阻選用1‰精度，累計誤差不大于0.5%。直流輸入信號調理電路如圖5所示。

圖4 交流輸入信號調理電路示意圖

圖5 直流輸入信號調理電路示意圖

2)模擬量輸出信號調理:模擬量輸出信號采用兩種調理方式，對于輸出電壓小于DC10 V的信號，由PXIe-6738模塊輸出后經運放跟隨輸出。對于大于DC10 V的電壓信號采取高精度運放分壓后進行放大，匹配電阻選用1‰精度，累計誤差不大于0.5%。

3)開關量檢測信號調理：開關量輸入信號有+27 V/懸空和地/懸空兩種類型，在信號調理時+27 V/懸空信號連接到高有效采集通道，地/懸空信號連接到低有效采集通道。開關量檢測模塊PXI-6528輸入范圍為±60 VDC，將外部電平信號經限流電阻后可直接與模塊相應端口相連。

4)開關量輸出信號調理：開關量輸出信號分為懸空→+27 V、懸空→地、地→+27 V三種類型，在信號調理時繼電器輸出模塊PXI-2566的常開/常閉觸點上連接相應形式的信號，通過繼電器切換可輸出需要的開關電平。開關量輸出信號調理電路如圖6所示。

圖6 開關量輸出信號調理電路設計示意圖

2.2 便攜式測控站設計

便攜式測控站以超大規模FPGA器件為核心搭建，由計算機模塊、接收機模塊、PCM模塊、安控指令發射模塊、天線及放大模塊等組成，包括下行和上行兩個鏈路。其下行鏈路是：靶彈遙測信號由天線接收并進行低噪聲放大；放大后的信號由接收機模塊將載波頻率下變頻為70 MHz后輸入到PCM模塊；PCM模塊完成中頻接收、信號解調及位同步，同步后的信號通過以太網傳送到綜合檢測控制臺，進行遙測數據的實時及事后處理。其上行鏈路是：安控指令發射模塊產生安控發射信號，經安控功放實現信號放大后接入天線向靶彈發射安控指令。便攜式測控站工作鏈路如圖7所示。

圖7 便攜式測控站工作鏈路示意圖

3 系統軟件設計

3.1 軟件結構設計

系統選用Windows 7操作系統和Labwndows/CVI軟件構建了一個數據共享的軟件平臺。系統應用軟件劃分為靶彈使用維護數據庫、系統功能軟件和系統主控軟件三大部分。靶彈使用維護數據庫用于保存管理靶彈壽命周期中所需的各種數據信息；系統功能軟件用于實現具體的測量控制功能；系統主控軟件是個通用性很強的控制程序，用于人機對話以及靶彈使用維護數據庫與各功能軟件之間的交互，實現基于信息的程序管理與調度。其中，系統功能軟件是系統應用軟件的主體，主要包括有線測量與控制軟件、遙測與遙控軟件、系統自檢與維護軟件三部分。

3.2 有線測量與控制軟件設計

有線測量與控制軟件主要負責靶彈在技術陣地的有線檢測和維修保障。被測靶彈系統與綜合檢測控制臺采用測試電纜連接，有線測量與控制軟件調用PXI測控功能模塊向靶彈輸出激勵信號并檢測反饋信號，以此判斷被測靶彈是否正常。激勵信號和反饋信號包括模擬量、開關量和數字量。檢測項目包括靶彈靜態測試和動態測試。

3.2.1 靶彈靜態測試

靶彈靜態測試包括靶彈各分系統(電氣、飛控、安控等)的單元測試。在靜態測試中，僅被測分系統加電工作，靶彈其他系統并不運行。靜態測試界面一般可分為3個區域：測試數據表格區域、測試進程提示區域和測試狀態說明區域。

測試表格區域包括測試序號、測試項目、技術條件、實測值和結果判斷5個列表項。測試進程提示區域給出了測試中的一些主要步驟(包括各種讀寫信號操作以及必要的測試過程說明等)。測試狀態說明區域告知操作者測試過程進行的時間、已測試的項目數量、正確和錯誤的項目數量等測試信息。測試數據表格和測試進程提示兩個區域采用滾屏顯示，超出屏幕顯示范圍的部分可通過滾動條的拖拽來查看。為了對自動測試過程中出現的故障進行精確定位，每個自動測試過程均有對應的手動測試功能。

3.2.2 靶彈動態測試

與靜態測試相比，靶彈動態測試不只局限于測試某些定點的輸出值，而是面向線和面，對被測靶彈系統的動態響應過程進行檢測與分析。因此靶彈動態檢測包含更多的測試信息，更利于精確評價分析靶彈系統的性能和進行故障診斷。

在靶彈動態測試中，有線測量與控制軟件首先向靶彈裝訂飛控參數與安控管道，然后發出模擬起飛指令，表征靶彈已離軌起飛。在發出模擬起飛指令的同時，控制數字通信模塊PXI-8431/8產生靶彈位置信息串行數據，模擬靶彈正常彈道和左偏、右偏等錯誤彈道(彈道形態如圖8所示)，代替彈上GPS/北斗接收機的真實位置信號輸出至靶彈控制系統，可檢測靶彈在不同彈道形態下的飛行控制和安全控制是否正常，實現靶彈系統的模擬飛行測試[10]。

圖8 靶彈動態測試彈道形態示意圖

3.3 遙測與遙控軟件設計

遙測與遙控軟件主要負責靶彈在發射陣地的無線測控和供靶保障。靶彈的遙控與遙控由綜合檢測控制臺和各便攜式測控站聯合完成。綜合檢測控制臺通過以太網向測控站發送測控任務指令，各測控站接受任務后，遙控靶彈系統加電工作并接收靶彈系統下傳的工作數據，回傳給綜合檢測控制臺。綜合檢測控制臺將測控站傳來的遙測原始數據，采用挑路、組合和計算等方式形成關鍵參數(例如靶彈姿態、航跡、高度、經度、緯度、距離等)數據進行實時顯示，用于供靶飛行時的狀態監視與安控控制。在實時顯示的同時，遙測與遙控軟件還對遙測數據進行不丟幀存儲，用于事后處理。遙測與遙控軟件工作流程如圖9所示，便攜式遙測站工作流程如圖10所示。

圖9 遙測與遙控軟件任務配置流程圖

圖10 便攜式遙測站執行任務流程圖

3.4 自檢與標校軟件設計

自檢與標校軟件包括自檢模塊和標校模塊。自檢模塊主要檢查系統狀態是否正常，表征系統是否可以加電工作；標校模塊主要完成對電源、電壓采集、電壓輸出等測量控制功能的校準，確保系統的測試精度和可信度。

綜合檢測控制臺自檢時，將模擬輸出與采集、開關量輸出與檢測、每組422串口輸入與輸出閉環，對比輸出數據與與測量數據是否一致。便攜式測控站自檢時，自動生成基帶信號由遙測信號的接收端接收該信號，經過解調、分析和數據的事后比對處理，完成遙測通道的自檢；發送遙控指令被回采經解調后與發射數據進行比對，實現遙控通道的自檢。

3.5 試驗結果分析

在聯調測試和試運行過程中，該系統在設備數量減少一半、操作人員減少三分之一的情況下，使靶彈技術準備與維護時間縮短30%，人工參與環節減少65%，測試精度高，可靠性好。

4 結束語

本文采用LXI總線和以太網技術，構建了一套性能先進、結構靈活的靶彈一體化技術支援系統靶載干擾機綜合保障系統，實現了靶載平臺和任務設備的自動測試與維護。試驗結果表明，采用LXI總線技術構建一體化綜合保障系統，符合靶彈測試維護的客觀要求，有利于提升靶彈的綜合保障水平，實際應用意義較大。