空空导弹制导控制系统半实物仿真
总控制台设计
褚建川 张兴利
中国空空导弹研究院 471009
摘 要：本文介绍了空空导弹制导控制系统半实物仿真总控制台的设计思路与实现方法，内容涵盖从仿真总控制台在空空导弹制导控制系统半实物仿真中所起的作用，到总控制台需实现的功能、系统的设计思路，以及软硬件和接口的设计方法等。仿真总控制台可以用于空空导弹半实物仿真系统试验的产品供电、发射逻辑控制、仿真试验状态管理、产品数据采集以及试验数据处理。文章通过对总控台设计方法的介绍以及一些先进技术的引入，为进行类似系统的设计提供了一些有益的参考。关键词：空空导弹 制导控制系统 半实物仿真
Abstract This paper presents the design of a Central Control Console (CCC) for the Hardware-In-the-Loop (HWIL) simulation of the guidance system of AAM, including the role of the CCC in the HWIL simulation of the guidance system of AAM, the functions of CCC, and the consideration of system design, etc. The CCC can be used for the power supply of AAM, the launch logic control, the test status control, the data acquisition and processing of the product (e.g. AAM) in the HWIL simulation. Some advanced technologies and methods of the hardware, software and interface design are introduced, which can give a useful reference to the similar system design.
引言
仿真是广泛应用于系统工程各研制阶段的一种极其重要的技术，用以复现和评价真实系统。在当前国内外各类武器系统研制过程中，仿真作为一种重要的设计、评估和验证手段，已经受到越来越广泛的重视。尤其是在防空导弹武器系统，如空空导弹的型号研制中，由于其安全性、经济性及高拟真度，可以有效弥补外场飞行试验的不足，并可以提供飞行靶试试验结果预测及进行风险分析等，是评估空空导弹武器系统性能的重要方法。
1.空空导弹制导控制系统半实物仿真
制导控制系统仿真就是模拟导弹从发射到命中目标的制导控制全过程。制导控制系统半实物仿真是在仿真回路中加入导弹的部分实物，由于最大限度地保障了被试产品的真实性，从而使得试验结果具有较高的拟真度，因此也常被称作“实验室打靶”。空空导弹制导控制系统仿真是除了靶试外，检验导弹制导控制系统闭环性能最有效的手段之一。
对于空空导弹半实物仿真系统来说，无论导弹采用何种制导体制，如指令、寻的、复合制导等，其半实物仿真系统一般都包括以下几部分内容。
仿真计算机：用于导弹及目标运动学、动力学模型的实时解算等；
飞行转台：用于模拟导弹在飞行过程中姿态的变化；
目标仿真器：用于产生目标及背景、干扰等的信号，并根据仿真计算机实时解算的目标方程复现目标在空间的运动过程。
总控制台：用于控制仿真系统的仿真进程并模拟载机导弹武器系统以实现仿真系统与被试产品的互联。
2.总控制台功能
总控制台作为半实物仿真系统的主要设备之一，主要用于半实物仿真系统试验条件及数据的初始化，仿真过程的管理和试验状态控制，同时为参试产品提供必要的电源和电气接口以及相应的检测与保护，并模拟载机的发射控制功能，完成产品的加电自检、初始化飞行任务信息打包传送、模拟及数字遥测信息等的接收处理等一系列功能，还包括协调仿真系统各参试设备之间的运作，实时监控各参试设备的工作状态，对各种故障信息进行应急处理等。
根据上述对功能需求的分析，总控制台应包括以下各项主要功能：
a)半实物仿真系统试验状态选择；
b)半实物仿真系统自检及数据初始化；
c)提供产品供电电源；
d)为产品提供相应电源与电气接口；
e)产品供电电源电压、电流监测及保护；
f)模拟产品的准备和发射过程并实现对时序的控制及检测；
g)飞行任务数据和一次性指令的形成和传送；
h)产品模拟及数字遥测信息等的数据接收、显示及处理；
i)向产品提供线加速度模拟信号；
j)半实物仿真系统参试设备、产品的故障监测及应急处理等；
k)半实物仿真系统试验数据分析处理。
3.系统设计思想
根据总控制台的应用特点，结合各种先进技术的发展，并考虑到系统设计的可靠性、通用性，提出如下设计思想：
总控制台应采用模块化、通用化设计，具备良好的接口能力、完善的安全保护功能、一定的可扩展性和方便的数据分析能力。可以通过更换部分功能模块，方便地实现兼顾多种型号发展的需要。
此外，应尽量采用成熟技术进行系统设计，在保证系统先进性的同时必须保障系统的可靠性和安全性。
由于总控制台适用对象的特殊性，试验设备必须保证每发试验产品的绝对安全，因此就对系统中产品的供电保护、时序逻辑控制等提出了极高的要求。设计时针对这一点，考虑了如下安全措施：
a)对产品发射控制逻辑系统设置多级逻辑保护，从控制管理计算机、逻辑控制单元到产品数据采集单元等的多层互锁，无论任何一层发现时序逻辑错误，总控制台软件系统都应立即采取相应保护措施直至切断产品供电电源；
b)对于产品供电电源应分别在电源模块输出端和导弹供电输入端进行电源指标检测，并针对电源过压、欠压和过流保护等设置逻辑保护；
c)在硬件设计中元器件尽量多选用集成化功能模块，以减少系统调试的工作量并可有效提高系统的可靠性以及可维护性，对少数可靠性要求较严格的部分采用军品级元器件，其余成品及元器件也全部为工业级产品，例如可以用可编程逻辑控制器代替以往采用分离元件设计逻辑保护电路的做法；
d)软件设计方面全面采用面向对象的设计方法、数据库管理技术、ActiveX控件、消息及事件驱动等以提高软件的结构化程度和可读性；
e)考虑到空空导弹半实物仿真在系统实时性、快速性上的要求，在系统的通讯网络设计上可以采用目前国际上很广泛应用的光纤反射内存网络，可以保障系统的方便性、实时性，并大大提高了数据传输的安全性。
4.系统软、硬件及接口设计
4.1 总控制台基本组成
总控制台主要由电源系统、模拟电路单元、计算机系统及各类I/O接口单元组成。
电源分为导弹供电电源和总控制台供电电源，用于导弹供电及总控制台各单元模块供电等。
模拟电路单元包括逻辑控制单元、产品电源控制单元、模拟信号调理单元等，分别完成导弹发射状态的逻辑控制与供电、导弹供电电源电压电流的检测及安全保护、模拟信号的调理、电平变换等功能。
总控制台计算机系统包括控制管理及数据处理计算机、产品逻辑控制与状态监测计算机、遥测信息接收计算机。该部分作为总控台的核心部分，主要完成仿真试验的管理、导弹初始化信息等的装订、数据的采集及显示、导弹的工作状态控制及保护等。
I/O接口单元主要包括总控制台与导弹之间及仿真系统各设备主要是计算机之间的各类专用与通用接口，如MIL-STD-1553B、ARINC-429、A/D、D/A、DI/DO、以太网及光纤实时网络接口等。
4.2 硬件设计
主要是总控制台系统结构及模拟电路单元的设计，电源部分可根据技术要求分别采用多台标准电源模块构成。
总控制台采用上、下位机管理模式，其中上位机为控制管理及数据处理计算机，完成仿真系统主控管理与状态监测功能，并负责对下位机发布指令及从下位机接收数据进行处理等。下位机包括产品逻辑控制与状态监测计算机，遥测信息接收计算机等，直接与被试产品及模拟电路单元互联，完成整个仿真系统与被试产品间电气、逻辑、数据的交互。
模拟电路单元中的产品电源控制单元部分主要接收来自逻辑控制单元的指令，完成产品电源的加电控制与供电电源电压、电流的检测功能。电源电压、电流的检测可采用电量传感器，利用霍尔原理，进行非接触测量，实现了测量电路与供电电路的隔离；且由于反应速度很快，可以有效地监视导弹的供电情况，对导弹进行保护。
模拟信号调理单元部分主要实现模拟遥测信号的调理、比例变换，用于计算机数据采集，可采用标准的放大器模块通过调整比例系数实现，放大器模块可以适当增加冗余度，以适应不同型号需求。
逻辑控制单元是总控制台系统中非常重要的部分，主要完成产品的发射时序控制与逻辑保护功能，设计时有必要对其可靠性、安全性和快速性专门进行考虑，在这里我们采用PLC可编程逻辑控
制器实现。
可编程逻辑控制器（PLC）是一种面向生产过程控制的数字电子装置，它具有控制能力强，操作方便灵活，价格便宜，可靠性高等特点。它采用可编程序的存贮器，在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口来进行各种类型的控制。不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可以构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制器。
采用PLC进行系统逻辑控制功能设计具有很多优点：
a)编制程序简单；
b)控制系统构成简单、通用性强；
c)抗干扰能力强、可靠性高；
d)易于操作及维护；
e)设计、施工、调试周期短。
采用上述方案进行总控制台的硬件设计，可以方便地应用到多种空空导弹半实物仿真系统中去，只需要根据实际情况调整电源模块的种类数量，调节模拟信号调理单元放大器的比例系数，并根据被试产品的发控逻辑设定计算机系统及逻辑控制单元中相应软件模块，即可以极小的硬件改动适应多种型号导弹半实物仿真的需求。
4.3 软件设计
总控制台软件系统的设计应遵循面向对象、模块化的设计原则，以利于开发、使用及维护。 4.3.1软件开发环境
总控制台各软件模块均运行在Windows 2000中文版操作系统下，开发环境为Microsoft Visual C++ 6.0、Borland C++ Builder 4.0，PLC逻辑控制软件的开发采用CX-Programmer3.1梯形图软件，驱动程序开发采用NI公司的WinDriver 5.0。
4.3.2软件结构及设计方法
总控制台软件按功能可划分为若干模块，分别运行于上、下位机上，通过光纤实时网络构成分布式控制系统，具体包括控制管理模块、数据处理及显示模块、产品逻辑控制模块、模拟数据采集及状态监测模块、遥测数据接收模块等。
其中上位机为控制管理及数据处理计算机，主要包括控制管理模块、数据处理及显示模块两部分内容：
控制管理模块主要实现总控制台的调度管理功能，包括自检、系统初始化、试验状态的选择和仿真初始条件的输入、接口驱动及通讯等；此外，控制管理模块还要模拟产品的发射控制程序、进行产品及设备状态监测等。
数据处理及显示模块主要包括数据显示及处理功能、接口驱动及通讯、仿真数据实时及事后处理功能等。
作为半实物仿真试验的主控机，上位机要实现调度管理状态监控等功能，显示系统及各设备当前工作状态、仿真初始条件、以及用于控制产品发射程序的虚拟开关、指示灯等；提供产品各路供电电压、电流、模拟遥测数据等有关模拟信号的量值实时显示，设计这部分功能时摒弃以往此类系统常用的开关、指示灯、测量表头等，完全采用虚拟仪器面板（LabView、CVI、ActiveX等），不但提高了系统的可靠性，且美观实用、体积也大为缩小。
在总控台软件系统功能模块中，除控制管理和数据处理显示模块之外，其余几部分都运行在总控台下位机上，这些模块是总控台软件系统的关键部分，主要用于实现仿真系统与导弹的互联。
产品逻辑控制模块的功能最为重要，实现也较为复杂。首先该模块从下位机上接收上位机发布的导弹发射程序并转化为相应的逻辑控制指令输出至PLC单元，PLC软件对产品的发射时序和逻辑正确性进行判断，决定是否执行产品电源控制单元加电等指令，并对逻辑控制单元的工作状态进行实时的反馈，下位机逻辑控制软件根据此反馈、导弹供电电源情况、导弹系统的一些输出信息对整个系统的工作状态自动进行判断和处理，并将相应信息输出至上位机进行显示，以供总控台操作人员掌握仿真系统的工作情况，对试验进程进行正确的操控。
模拟数据采集及状态监测模块、遥测数据接收模块的功能较为单一，即通过专用或通用接口接收并处理被试产品输出的模拟/数字信号，在空空导弹半实物仿真系统中起到闭环反馈的作用，在此就不再详细介绍。
4.4 接口设计
半实物仿真系统的接口设计有两个基本原则：实时性与精确性。这是保证半实物仿真精度及置信度必备的条件之一。
4.4.1 总控制台与仿真系统接口及总控制台计算机系统间接口
空空导弹在大气中的飞行速度一般在3～4个马赫左右，同时其姿态变化也非常迅速，为了保证空空导弹半实物仿真实时性、快速性的要求，仿真系统各计算机之间的数据传输帧频必须控制在几毫秒甚至一毫秒之内，才能较真实地复现导弹飞行时位置、姿态的变化，而传统的网络是很难满足空空导弹这种实时性要求的。
前文提到的一种光纤反射内存网络非常适合这种应用的需求。反射内存技术是近年来由美国VMIC公司（现GE子公司）在共享内存的基础上提出的，它的原理是在计算机系统的每个节点插入一块反射内存卡，通过光纤等介质连成网络，利用内存映射机制将每一个节点写入的数据实时地广播到所有节点的相同内存地址中去。由于具有极低的网络响应时间和极高的数据传输速率，同时其完善的数据冗余校验功能保证了数据传输的安全性与精确性，反射内存网络一经推出就得到了广泛的应用，很快成为事实上的工业标准，完全可以满足空空导弹制导控制系统半实物仿真的要求。
因此，包括总控台和所有仿真系统控制计算机间均采用光纤反射内存网络实现数据的实时传输。
4.4.2 总控制台计算机系统与模拟电路单元的接口
计算机系统与模拟电路单元的接口可采用工业化的I/O板卡，如计算机与可编程逻辑控制器间采用DI/DO接口传输各类指令、状态信息；计算机通过A/D接口采集模拟信号调理单元输出的模拟信号等。对这部分接口的设计要求是必须具备较高的采样精度、较快的采样频率和足够的通道数。
4.4.3 总控制台与导弹的接口
这类接口属于专用接口，对于老式空空导弹多为模拟接口，包括供电、指令加载、模拟遥测信息输出及线加速度注入等；而较新型的空空导弹一般还包含有各类数字接口，如1553B、429等，这类接口主要用于飞行任务等初始化数据的装订、数字遥测信息的接收等；此外，对于雷达型空空导弹，还具备射频接口，用来接收载机火控雷达发布的无线电修正信息等。进行此类接口设计一般需根据导弹战技指标定制相应的I/O接口设备。
5.结论
本文提供了一整套空空导弹半实物仿真系统总控制台的设计方法，该总控制台设计方案已在某型空空导弹的制导控制系统半实物仿真中得到了良好应用，由于其采用了模块化、通用化设计，只需针对被仿真产品的一些特殊技术要求定制相应模块并采用规定的接口，并对计算机控制程序进行若干更改，即可以方便地应用于其他导弹系统的制导控制系统半实物仿真中。
参考文献
1.防空导弹武器系统仿真，方辉煜、李启全、吴永刚等编著，宇航出版社，1995.8
2.Visual C++ 6.0 类库大全，官章全、刘加明编著，电子工业出版社，1999.12
3.Tactical Missile Design，Eugene L.Fleeman编著，2001.3
空空导弹制导控制系统半实物仿真总控制台设计
作者：褚建川， 张兴利
作者单位：中国空空导弹研究院 471009
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下载时间：2010年11月24日