飞行器连射试验实时测量数据模拟仿真方法研究*

于古胜 张 斌 项树林

(91550部队 大连 116023)



飞行器连射试验实时测量数据模拟仿真方法研究*

于古胜 张 斌 项树林

(91550部队 大连 116023)

根据飞行器飞行试验任务中对测量数据模拟的实际需求,介绍了飞行器连射试验测量数据模拟的作用和基于UNIX平台实现测量数据模拟的原理,从确保软件的实时性、多目标模拟和多数据流模拟三个方面介绍实现多目标测量数据模拟的关键技术,为飞行器连射试验多数据流测量数据模拟提供了实用的实现方法。

测控系统; 模拟; 测量数据; 中心计算机; 测控装备; 飞行试验

Class Number V27

1 引言

随着计算机技术的飞速发展,仿真技术已广泛应用于国民经济和科学研究的各个领域,并成为系统工程中一项带基础性的科学方法和强有力的试验手段[1]。在武器系统的研制过程中,仿真已成为必不可少的重要组成部分。仿真是指根据相似准则,利用模型对真实系统进行实验研究[2]。实时测控软件系统是一个具有多进程多线程体系结构、信息流量大、接口关系复杂、实时性强、可靠性高的大型应用软件系统。它是靶场测控系统的核心,在飞行器试验任务中承担测量数据实时处理、航区安全控制、试验指挥显示、测量设备数字引导、飞行器落点预示和基地间信息交换等重大使命。在实时测控软件系统研制和适应性维护过程中,为了检验遥测、外测数据实时处理的正确性,必须有对系统功能进行检查的有效手段,其中测试和联调是决定软件研制是否成功的关键阶段。测试和联调过程中需要测控装备的数据支持。但是,让测控设备直接提供数据支持存在两大问题: 1) 大量人力物力消耗大、组织协调难度大、联调周期长; 2) 当测控装备建设滞后于测控软件研制时,测控装备无法支持测控软件系统进行调试和验证。因此,如何采用科学、有效的方法和手段,对测控软件系统的基本性能和应急性能进行有效测试,是测控软件系统建设和维护中重点研究的课题之一。模拟仿真具有重复性好、可操作性强、不受自然环境条件限制、效费比高、保密性好等突出特点,目前已成为飞行器系统试验与鉴定的重要手段。

2 模拟仿真软件对飞行器连射试验的作用

2.1 飞行器连射试验测量数据模拟仿真的特点

以前,由于受靶场指控系统中心计算机的运算速度、内外存储容量以及输入输出瓶颈的制约,靶场进行飞行器连射试验只能采用一发遥测飞行器和一发模拟飞行器的方式进行。随着计算机性能的提高及试验IP网络收发系统投入靶场使用,有效解决了制约多数据流输入/输出瓶颈,靶场已具备了双遥测飞行器连射试验实时测控能力。潜射飞行器连射试验和单飞行器试验实时数据处理方法相比,无论从实时数据流量、I/O缓冲区设置、发射信号的接收与识别、测量方案选优、实时数据处理时机、试验航区安全控制、多目标显示方法、多目标数字引导方面都增加了时间和空间复杂度。实时测控软件系统采用多进程多线程体系结构,模拟仿真软件是中心计算机模拟与重演进程的一个关键线程,在潜射飞行器连射试验中,测量数据仿真模拟的复杂度也必然加大。

2.2 模拟仿真软件的作用

模拟仿真软件的主要功能是为实时测控软件系统调试提供测控装备的仿真输入信息;为安控演练提供仿真故障轨迹;为全系统综合检查及首未区联调提供数据支持;对实时测控软件系统数据处理过程正确性进行验证。模拟仿真软件可以根据需要灵活设定测控装备的跟踪段落,为检验测量方案正确性提供支持。模拟软件实现了多目标模拟及潜艇航迹模拟,能够同时模拟两台同步通信服务器和一台IP通信服务器发送到中心机的64路同步和1路IP网络数据包,作为中心计算机的各部件的输入信息。

3 潜射飞行器连射试验模拟仿真软件的实现

3.1 模拟仿真软件的组成

模拟仿真软件硬件平台采用64位双处理器小型机Alpha ES40,软件支撑环境为Tru64 UNIX V5.1操作系统、X Window以及C语言等,与外部信息交换采用计算机网络。模拟仿真软件由主控模块、初始化模块、外测模拟模块、遥测模拟模块、错误处理模块、打印模块、结束处理模块、错误处理模块、打包输出模块、轨迹插值共九个软件模块构成[3]。软件组成结构如图1所示。

· 主控模块:主要完成对各模块开关控制的功能。

图1 模拟仿真软件结构图

· 初始化模块:主要完成整个模拟部件的初始化功能。

· 未区数据模拟:未区数据模拟主要是模拟末区发给首区的轨迹数据、遥测数据、设备状态等信息。

· 错误处理模块:对模拟部件中出现的错误进行统一处理。

· 打包输出模块:打包输出是按照《DL指控及显示系统对外联接与编程接口约定》将外测模拟、遥测模拟及末区数据模拟数据帧进行打包并以内部socket套接口方式发送给中心机的输入加工软件。

· 轨迹插值模块:从进程共享区中根据被测目标数依次读取理论轨迹数据,接受“时统/双工/中断”卡上的外信号的驱动将数据组织成本程序所使用的轨迹数据格式。

· 外测模拟模块:将理论轨迹数据进行发射系到测量系下坐标系系转换模拟各测控设备实时任务中的输出数据,并将其以同步和网络数据帧格式打包输出。具体是对完整的不加干扰的外轨迹理论轨迹模拟;对完整的加干扰的外轨迹理论轨迹模拟;对部分段落的外轨迹理论轨迹模拟;对外轨迹理论轨迹特征点参数模拟;根据50ms间隔轨迹插值结果和整个轨迹的时间关系及特征点,按照规定格式对各种外测设备信息模拟。

· 遥测模拟模块:模拟跟踪不同目标的测控设备的实时任务中输出遥测数据并按照规定的帧格式组成模拟遥测数据帧。具体是对完整的不加干扰的理论轨迹模拟,对完整的加干扰的理论轨迹模拟,对部分段落的内轨迹理论轨迹模拟,对理论轨迹特征点参数模拟;按照50ms间隔和预先存储的遥测参数、整个轨迹的时间关系及特征点,对模拟量和数字量遥测参数进行模拟,按照遥测指令的发生顺序对遥测指令进行模拟。

3.2 测量数据模拟仿真软件的实现方法

该软件的设计思想是利用不同飞行器理论轨迹,预先设定跟踪不同目标的测量装备,按照测量装备测量坐标系下的格式进行坐标转换,理论数据叠加符合正态分布的随机误差,接收不同的起飞零点信号,启动模拟软件运行,模拟跟踪不同目标的测量装备在实时任务中输出的遥、外测数据及末区发给首区的轨迹数据、遥测数据、末区装备状态数据等。该软件首先调用主控模块,根据它来调用初始化模块,然后通过开关来对外测模拟模块、遥测模拟模块、打包输出模块、末区数据模拟模块和错误处理模块进行控制。

图2 模拟仿真软件程序框图

3.3 计算模型

测量信息仿真软件需要模拟的测控装备有统一测控、光测、连续波雷达、脉冲雷达、相控阵雷达装备,对于统一测控装备GPS数据的模拟需要发射系到地心系的转换,对其他装备需要发射系到测量系转换及测量系到极坐标系转换。

3.3.1 发射系到地心系转换[4]

将发射坐标系轨迹位置坐标转换成地心空间直角坐标系的关系式为

(1)

式(1)可以简记为

[XG]=[λ0][φ0][AT]T[X]+[XG0]

(2)

式中,λ0、φ0、H为发射坐标系原点O的天文坐标;AT为天文射击方位角;X=[XYZ]T为目标在发射坐标系中的位置坐标;[XG]=[XG,YG,ZG]T为目标在地心空间直角坐标系中的位置坐标;[XG0]=[XG0,YG0,ZG0]T为原点O的地心空间直角坐标系的坐标。

输入参数:λ0、φ0、H为发射坐标系原点O的天文坐标;AT为天文射击方位角;X=[XYZ]T为目标在发射坐标系中的位置坐标;[XG0]=[XG0,YG0,ZG0]T为原点O的地心空间直角坐标系的坐标。

输出参数:[XG]=[XG,YG,ZG]T为目标在地心空间直角坐标系中的位置坐标。

3.3.2 发射系到测量系转换

[X′]= [φ0′]T[λ0′]T([λ0][φ0][AT]T[X]

+[XG0]-[XG0′])

(3)

(4)

式中,[X′]为目标在垂线测量坐标系中的位置坐标,即[X′]=[X′,Y′,Z′]T;[λ0′],[φ0′]为垂线测量坐标系原点的天文经度和天文纬度所对应的矩阵。

3.3.3 测量系到极坐标转换

(5)

(6)

(7)

3.3.4 遥测模拟

《共产党宣言》中蕴涵着丰富的思想和内容，其中关于全球空间的思想在一定程度上被遮蔽了，而对于全球空间的形成、发展、现状分析以及其形成意义的论述成为《共产党宣言》的重要构成，这对当前构建人类命运共同体也具有重要启示意义。

遥测模拟包括遥测参数模拟和遥测指令模拟。遥测参数按每次任务的遥测数据处理实时分路流程和遥测参数处理要求进行计算组帧。计算公式为

D=(Y-A0)/A1

(8)

D是统一测控装备输出的遥测参数,是0～255分层值;Y是实时显示的遥测参数值;A0、A1是遥测大纲中提供的计算系数。

遥测指令的模拟采用根据指令发生时间给对应的位“置1”或高电瓶位“置1”的方法实现。

4 实现潜射飞行器连射试验测量数据仿真的关键技术

模拟仿真软件的运行平台软件支撑环境为Tru64 UNIX V5.1操作系统。该操作系统通过一个功能强大的实时应用函数库,向应用开发人员提供了一个十分完善的实时应用环境[5]。作为实时操作系统之一,Tru64 UNIX操作系统及其实时应用环境,采用了存储器锁定、多线程、抢占式内核等目前最先进、最成熟的操作系统技术,具有很好的扩展性和安全性,为开发和运行实时测量数据仿真软件提供了理想的开发平台[6]。

4.1 采用Digital UNIX实时编程接口(POSIX1003.1b)确保实时性

“实时”是指对随机发生的各种外部事件能够做出及时的响应和迅速的处理[7]。在中心计算机Tru64 Unix操作系统平台上成功解决进程/线程实时调度、内存锁定、信号处理、高速数据通信等问题。Tru64 UNIX操作系统采用双核机制,提供分时编程接口(nice接口)和实时编程接口(POSIX 1003.1b),实时编程接口提供了用于管理实时优先级范围内的应用程序的一系列函数,采用固定优先级调度策略,共划分为64个优先级,优先级由用户控制,操作系统无权改变进程的优先级,同时采用抢占式内核,抢占式内核允许操作系统快速响应一个高优先级进程的抢占请求,确保了软件的实时性。

4.2 多目标模拟

采用测量设备分型号跟踪不同飞行目标和分别接收不同起飞零点的方法实现了多目标模拟。系统采用测量设备分型号跟踪,实时分析显示数据,人工干预的方法进行多飞行目标的测量和控制[8]。某型飞行器要进行连射试验,为了实现对两个目标飞行试验实时测控过程数据的模拟,采用把靶场测控装备划分为跟踪不同目标的装备。把靶场的6台TCK和光测设备,分为两部分,在实时任务中分别跟踪不同的飞行目标。实时数字引导程序实时输出两个引导数据流,引导测控设备跟踪不同的目标。根据导弹飞行速度和连射试验的时间间隔,实时分析试验数据,一旦设备跟错目标,及时进行人工干预[9]。

发射零点是实时测控软件系统启动运行的基准点,在单发试验中对发射零点采用冗余设计,从通信服务器发来的是经过延时修正后的数字T0,优先级最高;当没有收到数字T0而收到“三合一卡”的发射信号FS时,中心机取当时绝对时间而计算的卡补T0,优先级次之;前两个T0都没有收到,听到指挥员发射口令操作员按下发射键,取此时绝对时间而形成的键补T0,优先级最低。多发连试验会产生多个发射信号FS、数字T0和键补T0,如何正确识别处理这些信号是软件设计的难点。为了有效识别和确保收到不同发次起飞零点信号,本系统采用预按发射键,同一发次试验,在不改变T0的优先级顺序的前提下,循环等待x秒;不同发次试验,根据发射时间间隔,分步等待的T0信号识别办法,有效解决了潜射飞行器试验多起飞信号、多发射零点的识别处理问题。

4.3 多数据流模拟

在飞行器连射试验中,中心计算机要接收不同传输频率的多数据流,包括:频率为1Hz潜艇航迹潜艇数据、落区数据,频率为20Hz测控装备2路同步数据和1路IP数据。采用起飞零点判读和频率控制的方法实现了射前潜艇航迹模拟[10]。采用在测量装备数据结构中加格式类型进行预读判断的方式解决了测量设备接口改造后新旧两种格式并存情况下的测量数据模拟;采用UDP/IP格式和网络SOCKET编程技术实现了IP网络测量数据的模拟。

5 结语

基于Tru64 UNIX成功实现对潜射飞行器连射试验实时测量数据的模拟仿真对飞行器实射飞行试验具有重要作用。在实时测控软件系统开发初期,测量数据实时模拟仿真软件为实时测控软件系统提供方便可靠的测试平台,大大缩短测控软件的研制周期,保证实时测控软件系统在时间节点内按期建成投入到飞行器试验任务中;每次任务对实时测控软件系统维护过程中,测量数据模拟仿真软件为其提供灵活实用的维护工具,从而提高维护效率,节省维护费用,有效提高实时测控软件系统的可靠性;在实时测控软件系统的评测中,测量数据模拟仿真软件还可以作为软件评测平台,节省评测软件研制费用;在安控系统演练过程中,测量数据模拟仿真软件仿真各种故障数据以检测安控系统的正确性。

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Simulation Method of the Real-time Measurement Data for Multiple Launching Test Based on Digital UNIX

YU Gusheng ZHANG Bin XIANG Shulin

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian 116023)

According to the actual demand of measurement data simulation in aircraft flight test, functions and implementing principle based on UNIX platform of measurement data simulation are introduced in the paper. The key technology of ensuring simulation data real time, multiple-target simulation and are described in detail. As a result, the paper has provided a practical implementing method of multiple-dates simulation for TT&C equipment in aircraft flight test.

tracking telemetry and control system, simulation, measusrement data, the central computer, TT&C equipment, flight test

2015年4月5日,

2015年5月27日

于古胜,男,高级工程师,研究方向:指挥控制系统,实时测控软件系统。张斌,女,高级工程师,研究方向:导弹武器系统总体,系统仿真。项树林,男,工程师,研究方向:指挥控制系统,实时测控软件系统。

V27

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.022