某系列化導彈試訓多任務模擬設備設計與實現

單時卓

(中國人民解放軍 92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

目前，裝備試驗和艦艇部隊的訓練主要包括實彈打靶、靶標跟飛以及本艦武器系統訓練等手段，前兩種訓練手段組織復雜、成本高，不能滿足日常訓練的要求，而本艦武器系統訓練作為常態化訓練的有效手段，由于受到現有導彈模擬器的能力制約，不能達到逼真或實戰的訓練效果。近20年，美軍持續強化LVC概念，利用合成環境集成實裝，并統一模擬器架構，達到“真實-虛擬-構造仿真”的訓練環境[1]。靶場采用同樣的發展思路，基于外部復雜目標環境構建和內場仿真交匯的內外場聯合試訓方式[2]，為艦空導彈武器系統試驗訓練提供了更加經濟、簡單、實用的試訓保障手段，較好的適應了新形勢下艦空導彈武器系統試驗與實戰化訓練需求。某系列化導彈試訓多任務模擬設備是內外場聯合試訓保障條件建設的重要組成部分，其具有小型化、便攜式、操作方便、功能強大等優點，能夠實現武器系統在不同工作狀態且非實彈條件下的作戰全流程模擬，保障了艦面實裝的發射閉環工作。該通用模擬設備可在作戰、訓練兩種工作狀態下模擬實彈，有效解決了部隊配套模擬器型號單一、狀態固化(訓練)、數量有限等制約實戰化試訓任務開展的瓶頸難題，滿足了當前裝備試驗與部隊訓練急需，同時開創了系列化、多用途導彈模擬設備研制的新模式。

1 系統結構及原理

1.1 系統結構

系統結構主要由硬件和軟件組成。采用以嵌入式微處理器為核心單元的模塊化設計，便于發射系統的維護，同時可增加與發射系統的信息交互性；具有真實導彈的電氣接口，與發射控制系統通過臍帶電纜進行硬件接口連接，根據發射控制系統的命令和信息，模擬設備響應執行并反饋。為實現模擬設備的功能性能要求，模擬設備軟件需要并行處理多個任務，每個任務負責完成一部分工作，系統軟件通過μC/OS-Ⅱ操作系統實時高效地完成任務之間的調度，從而保證系統對信息采集及處理的高實時性要求，極大程度上滿足導彈發射全部工作過程的需要。

系統硬件結構如圖1所示，原理結構如圖2所示。

圖1 模擬設備硬件結構圖

圖2 模擬設備原理結構圖

系統軟件體系結構如圖3所示。

圖3 模擬設備軟件體系結構圖

1.2 工作原理

模擬設備工作過程是根據上級武器控制指令信息，按照相關匹配的通信協議，采用軟硬件集成與獨立分支工作流程設計，完成響應與應答的模擬動作，當進入導彈不可逆工作模擬流程后，其工作特點與常規模擬器一致。但有別于常規的導彈模擬器，該設備通過硬件設置彈型，軟件識別彈型碼實現彈型模擬，通過硬件設置狀態，軟件識別工作狀態碼實現狀態模擬，通過獨立多通道配置實現多數量模擬，從而實現針對不同任務保障的多功能、多用途工作原理。

模擬設備工作流程如圖4所示。

圖4 模擬設備工作流程圖

武器系統通過武器控制臺對導彈進行發射控制操作，在武器系統工作過程中，當模擬設備收到發控系統傳送的作戰指令后，實時模擬導彈在位查詢、導彈加/斷電、彈位選擇、導彈初始參數裝訂、導彈發射過程的信號回路，回告信息給發射系統和武器系統。同時，模擬設備通過采集模擬電路信號，實時顯示導彈彈上各節點信號。其主要工作流程為：

1)在模擬設備準備階段，模擬設備通過連接器與外部設備進行連接，并根據撥碼開關設置彈型和狀態；發控單元供電后，對模擬設備進行供電，嵌入式處理器完成主函數啟動后響應分支函數的調用。

2)在導彈供電過程中，模擬設備完成導彈供電回路，模擬輸出電壓信號，輸出電流。

3)在彈上機自檢過程中，模擬設備接收上級武器控制設備發送的“彈上機自檢”命令，回復響應的應答信息進行響應，當收到上級設備發送的“彈上機自檢結果下傳”后，模擬設備回復響應彈型的自檢結果信息。

4)模擬設備接收上級設備發送的“慣導對準”命令，回復響應的應答信息進行響應，當收到上級設備發送的“慣導對準結果下傳”后，模擬設備回復響應彈型的自檢結果信息。

5)在導彈發射階段，模擬電池、燃氣發生器激活回路，激活后，模擬輸出電壓信號，輸出電流。

6)同時，模擬設備軟件完成上級設備的飛控命令響應回復，并根據彈型回傳響應的參數信息。

2 方案設計

該設備以某系列導彈為對象，按照不同任務需求針對性研制的導彈模擬設備，通過集成彈地電氣接口、需求設置、彈地信息交互和工作過程仿真等設計，完成高一致性導彈通用模擬裝置設計[3]，具備對彈型、導彈工作狀態和導彈數量進行適裝匹配的能力，可在彈庫非作戰位置進行布設，為部隊開展的新樣式、新模式的裝備試驗鑒定和實戰化訓練等軍事任務提供所需的導彈模擬環境。

通過與真彈一致的接口接入武器系統，主要用于接收武器系統的作戰指令，完成導彈架上環節的工作過程，并實時向武器系統模擬回送同真彈一致的各項工作信息[4]。可以同時模擬多枚導彈，并可同時、獨立按照發射系統和武器系統給出的作戰指令進行導彈工作模擬。通過硬件電氣接口與發控系統連接實現導彈數量的模擬；通過人工選擇控制實現彈型和工作狀態的模擬；通過接收武器系統信號指令，按照系統軟件邏輯進行分時響應多任務處理，并引入多彈型、多狀態自主可控電路設計[5]，為武器系統提供導彈架上工作的加/斷電、狀態、離架等各類時序信號，配合艦載武器系統完成各項試訓任務；通過結構設計、硬件設計、軟件設計、可靠性設計、標準化設計、安全性設計及電磁兼容性設計，實現系列化、多功能的使用要求。

2.1 系統功能

該設備與發射系統相連接，用于模擬導彈架上行為，能夠為導彈武器系統提供導彈架上信號，正常按時序接收、模擬、反饋相關控制信號，閉合武器系統完成導彈離架前的完整作戰過程，配合武器系統完成功能性能檢查、武器系統訓練、武器系統作戰演練等實際任務。同時具有導彈操作過程顯示功能，便于工作過程狀態監視和故障定位。其主要功能包括[6-7]：

1)模擬彈上信息處理器通信接口，完成彈地通信過程的等效模擬；

2)模擬彈上設備工作過程，完成包括導彈加/斷電、設備自檢、裝訂參數、各通路激活、啟動飛控、導彈離架、信號回告等時序信號回路的等效模擬；

3)模擬彈上電氣工作過程，完成包括彈上電池工作狀態、電氣控制工作狀態的等效模擬；

4)可選擇性模擬同系列的不同彈型，包括同系列化導彈的基本型、升級型；

5)可選擇性模擬武器系統適配的工作模式，包括模擬器工作模式或實彈工作模式；

6)同時模擬多發導彈(現有基礎上數量可拓展)離架前的工作過程及節點狀態；

7)能夠實現彈型設置、類型設置、導彈供電、各通路激活、慣導狀態、導彈起飛等工作節點顯示功能。

8)可配合武器系統完成自檢、訓練、演練及故障檢測。

2.2 主要指標

在研究分析某系列艦空導彈武器系統裝備使用要求的基礎上，確定模擬設備的主要技術指標，保證其具備配合武器系統完成特定軍事任務的能力。其總體層面主要功能、性能技術指標可以概括為：接口電氣、狀態顯示、供電回路、供電激活回路、彈型設置、工作狀態設置、彈地通信、通信速率、信號時序、連續工作時間、電源電路特性、外形尺寸、可靠性、維修性、測試性、電磁兼容性和三防性能等[8-9]。

2.3 關鍵技術

采用嵌入式微系統電路設計技術，提出了基于ARM+FPGA的多功能硬件接口集成方法[10-12]，并建立了無源識別與有源信息確認的雙重安全設計機制，實現了系列導彈多彈型、多狀態、多數量組合的導彈模擬背景，為了保證該模擬設備的保障真實性與實用性，以某系列化武器系統工作原理為基礎，對四方面關鍵性技術進行了設計與實現。

1)兼容系列化彈型設計與實現

彈型設置集成在該模擬設備電氣接口中，電氣接口采用不同的分離信號線方式[13]，進行多類彈型的導通信號線搭建。在該通路中引入撥碼開關進行多條分立信號的通斷控制，外部設備通過檢測模擬設備內部分立信號線，完成不同導彈類型的無源識別，從而區別不同彈型狀態。同時在不同導通電路中接入I/O采集點，在模擬設備加電時，該導通信號通過可編程數字量I/O引入嵌入式ARM處理器中，ARM處理器通過檢測該點數字量I/O值完成模擬設備自身識別彈型上的判斷，模擬設備軟件根據識別的彈型完成響應的軟件分支，同步將帶有彈型標識的信息回告給武器系統，完成系列化導彈不同彈型設計的實現。

2)兼容兩種工作模式設計與實現

兩種工作模式設置通過電路控制實現，在電路中串入撥碼開關進行電路控制，并引入可編程數字量I/O以感知開關的閉合、數字事件的觸發或固態繼電器的動作，從而對電路的通斷進行判斷，設置撥碼位置使電路導通或者斷開，完成模擬器和導彈兩種工作模式的設置。在電路接通或者斷開時，I/O采集模塊識別該信號，內部嵌入式ARM處理器通過I/O信號進行工作模式的的判斷，從而控制軟件進入相應的分支，完成工作流程。

3)多通道相互獨立設計與實現

模擬設備采用相互獨立多通道接口實現一個模擬設備具有模擬多發導彈的功能。不同通道分別采用相互獨立的連接器、電源模塊、撥碼開關模塊、通信模塊、繼電器控制與狀態顯示模塊配合模擬設備軟件完成多通道功能的實現。

4)檢測與故障定位設計與實現

運用PHM實時管理技術[14]，引入分立信號控制手段，完成模擬結果識別，通過數字采集技術，對模擬接口電路進行信號實時采集，實現彈型種類、工作狀態的判斷顯示，按發射流程精準控制導彈加/斷電、彈上機供電、通路激活、導彈起飛等彈上信號的反饋，回告各節點信息給武器系統，在模擬設備與武控系統顯示界面直觀查看與判斷各工作節點完成情況，實現過程深度監測和故障定位的功能。

3 硬件設計

3.1 硬件組成

設備硬件主要由結構箱體、連接器、指示燈、撥碼開關、專用模擬板等組成。在模擬設備加電之前，根據不同要求通過撥碼開關對導彈類型和狀態進行設置；模擬設備是通過與真實導彈相同的連接器電氣接口進行加電，在嵌入式處理器啟動后，完成模擬設備自檢，通過模擬彈上信息處理器通信接口，完成彈地通信過程、模擬彈上設備工作狀態，包括導彈加電回路、遙測加電回路、彈上電氣控制裝置回路等；模擬彈上電池工作狀態及電氣控制裝置工作狀態；模擬設備在工作時使用指示燈信號顯示當前的工作狀態，顯示內容包括模擬設備供電、遙測供電、導彈供電、導彈起飛等時序信號指示。

3.2 硬件方案設計

3.2.1 結構箱體

箱體材料為不銹鋼板，表面噴涂防腐漆，可拆卸部分與箱體連接處采用導電材料進行密封，并作防水處理，以保證EMC與防潮防水的要求；有4路對外接口，位于箱體正上方，其中兩路安裝專用連接器，另外預留兩路用于功能擴展；前面板安裝工作狀態指示燈與撥碼開關；兩側安裝塑膠把手，底部安裝橡膠腳墊；內部安裝熱鍍鋅板，用于固定PCB主板。

箱體3D效果如圖5所示。

圖5 箱體效果圖

3.2.2 連接器

連接器與真實導彈的連接電纜接口一致，是模擬設備與發射系統的電氣和通訊接口，密封于箱體上方，用于與導彈發控電纜相連接。

3.2.3 指示燈和撥碼開關

指示燈和撥碼開關位于箱體的正前方，由上至下共分為四組，分別配合模擬4組導彈通道，共24個指示燈和8個撥碼開關，指示燈用于顯示各個節點工作狀態，撥碼開關用于設置彈型以及進行工作狀態切換。

指示燈和撥碼開關設計效果如圖6所示。

圖6 指示燈與撥碼開關效果圖

3.2.4 專用模擬板

專用模擬板為模擬設備核心組件，直接同連接器進行連接，用于模擬導彈工作過程，完成彈地通訊。通過PCB板集成電源模塊、通信模塊、撥碼設置模塊、狀態顯示模塊、處理模塊，完成模擬設備加電自檢、彈型選擇、工作模式選擇、電路控制、時序節點處理、指令接收與反饋、導彈離架信號產生等導彈架上工作過程的等效模擬。

3.3 硬件模塊設計

按照設備功能要求，硬件主要可細分為電源模塊、通信模塊、撥碼設置模塊和狀態顯示模塊四部分。

3.3.1 電源模塊

輸入為28 VDC，包括濾波電路、防反接電路、一組3.3 VDC電源輸出、一組5 VDC電源輸出、一組48 V電源輸出、一組28 V電源輸出，用于保障各模塊供電。

3.3.2 通信模塊

多個RS422通信接口，由芯片隔離后與嵌入式處理器通信，模擬彈上信息處理器通信功能，模擬器軟件加載在嵌入式處理器內，按照彈型設置相關信息完成對應類型導彈的各項通信任務。

3.3.3 撥碼設置模塊

多組撥碼開關，撥碼開關為“8421”碼開關，由光耦隔離后與嵌入式處理器通信，通過撥碼設置完成不同導彈類型和工作狀態的切換。

3.3.4 狀態顯示模塊

由繼電器和LED顯示燈組成。此模塊通過外部的信號實現繼電器的導通和關斷，控制LED的點亮與熄滅，來模擬電路的工作狀態。

模擬設備硬件模塊關聯原理如圖7所示。

圖7 硬件模塊關聯原理框圖

4 軟件設計

4.1 軟件組成

系統軟件由技術應用軟件和標準化軟件組成。技術應用軟件用于支撐整體系統功能的實現，主要包括初始化模塊、命令處理模塊[15]、通信模塊。其中，命令處理模塊主要包括彈上設備自檢命令模塊、彈上設備自檢結果下傳命令模塊、上傳裝訂參數命令模塊、下傳裝訂參數命令模塊、啟動飛行控制程序命令模塊、靜態導航命令模塊、靜態導航結果下傳命令模塊等。標準化軟件用于底層軟件的建立、軟硬件接口的配置實現、底層軟件提供應用層軟件的封裝。軟件體系設計如圖8所示。

圖8 軟件體系設計圖

4.2 軟件方案設計

模擬設備軟件為基于ARM的嵌入式軟件，主要使用到ARM的GPIO和UART功能[16-18]，通過GPIO設置軟件系統的工作模式，通過UART2實現串行RS422通信。軟件運行在每個專用模擬通道模塊計算機模擬板的單片機上，CPU片內RAM和FLASH為主程序的存儲單元，運行環境為無操作系統快速啟動環境。

模擬設備軟件主要用來完成模擬導彈上電自檢，完成與發控系統的信息交互，接收發控系統的命令，模擬導彈執行相應操作，配合完成導彈的測試和發射控制等信息交互。根據模擬設備的工作要求，更好地達到試訓多任務保障目的，對軟件方案設計[19-20]如下：

1)模擬設備系統軟件與武器系統在導彈準備中彈上機自檢、彈上機自檢結果回傳信息交互。接收武器系統命令，并回復相應的應答信息，在接收進行彈上機自檢結果回傳指令后，再依據彈型進行相應固態命令的回復。

2)模擬設備系統軟件與武器系統在導彈準備中裝訂參數、參數下傳信息交互。接收武器系統命令，并回復響應的應答信息，在接收進行參數下傳指令后，再依據彈型進行響應固態命令的回復。

3)模擬設備系統軟件與武器系統在導彈準備中專項檢查結果下傳信息交互。接收武器系統命令，并回復響應的應答信息，在接收進行檢查結果下傳指令后，再依據彈型進行響應固態命令的回復。

4)模擬設備系統軟件與武器系統在模擬導彈發射階段啟動飛控命令的響應。接收各節點時序消息隊列后，及時回復協議中的應答信息，真實模擬彈地通訊與導彈不可逆工作過程。

4.3 軟件接口設計

軟件系統內部運行關系主要是通過接口函數來實現，模擬設備軟件內部接口相互獨立。數據內部結構訪問關系如表1所示。

表1 數據內部結構訪問關系

4.4 軟件流程設計

模擬設備軟件通過內部通信接口與外部及內部組件進行信息交換。模擬設備與發射控制系統通過RS-422總線相連，進行命令及數據傳輸。模擬設備加電復位后由boot程序將引導軟件由EPROM加載到芯片的內部RAM中運行，引導軟件自動完成軟件加載、軟件初始化、上電自檢，之后開始等待彈地命令，當收到命令時則執行相應的操作，進行各種初值、參數及控制信息的傳輸。彈地通訊采用異步串行通訊方式，通訊速率為38.4 kbps，8位字長，兩個停止位，發送及接收均無奇偶校驗。針對不同的命令，命令代碼是唯一的，根據命令的不同，對所帶參數的要求也不一樣。命令傳輸時要求先傳高字節，再傳低字節。

主控部分主要完成對硬件初始化模塊、軟件初始化模塊、設備自檢模塊、命令處理模塊等的調用。軟件流程設計框圖如圖9示。

圖9 軟件流程設計框圖

5 實驗結果與分析

該試訓多任務模擬設備研制完成后，先后在海軍不同艦隊配合導彈型號裝備試驗鑒定、作戰艦艇防空反導訓練及演練工作，在構建的LVC虛實結合試訓環境中，配合導彈武器系統共執行完成導彈模擬發射任務200余次，涉及的工作科目包括導彈型號裝備基礎功能、性能檢驗、多目標攔截服務能力檢查、混裝混射能力檢查、單目標攔截訓練、同向多目標攔截訓練、抗多方向飽和攻擊訓練、虛實結合防空反導演練等。對導彈武器系統工作數據、工作過程及模擬設備狀態顯示等情況進行綜合比對分析后，完成了對該模擬設備主要功能、性能技術保障能力的檢驗與評估，具體的分析比對結果如表2所示。

表2 模擬設備實驗結果分析

工作期間，模擬設備能為某系列型號導彈武器系統提供導彈在架工作信號，可以正常按時序接收、模擬、反饋相關控制信號，閉合武器系統完成導彈離架前的完整作戰過程。保障能力符合裝備試訓要求，保障效果達到減少試訓任務消耗、縮短試訓任務周期的目的。

6 結束語

導彈模擬器作為導彈武器系統的重要配套訓練裝備，誕生已久，其主要功能、性能的實現技術已廣泛推廣，但功能單一、作用受限是絕大多數導彈模擬器的特點和共性，本文針對新形勢下導彈裝備試驗鑒定和部隊防空反導訓練的實際保障需求，給出了基于系列型號導彈模擬設備的設計要點與實現途徑，開創了多用途、多任務導彈模擬設備研制的新思路與新模式，突破了以往該類設備只能用于保障基礎訓練的現狀，在裝備試驗與部隊訓練保障上的應用效果好，其成果亦可對其他系列導彈武器裝備的保障設備建設提供經驗，具有一定的指導和借鑒意義。