弹炮结合武器一体化火控实时仿真平台的设计与实现

舒立鹏，朱柏飞，吴晔，唐旭，刘新宇，曹莹星

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

弹炮结合武器火控系统是弹炮结合武器的重要组成部分，火控系统方案的优劣对整个武器系统性能的影响至关重要，因此，在不同的研制阶段弹炮结合武器火控系统需要采用数学仿真、实时仿真以及半实物仿真等方式以测试验证火控系统方案的正确性、可行性，并不断地迭代改进优化，以确保系统设计方案的最优。在实时仿真阶段需要结合火控系统的方案搭建实时仿真平台进行实时仿真测试验证[1-3]。现有的弹炮结合武器火控系统实时仿真测试涉及多个不同功能的设备，如同步时统装置、空情模拟器、姿态模拟器、火控计算机、网络交换机和数据采集装置等。各设备均自成一个箱体，分散布置，导致操作维护不便，系统成本增加；
另外各设备软硬件功能固化且单一、板卡接口少，导致整个实时仿真平台可扩展性差，重用性不强。诸如此类问题导致现有火控系统研制成本增加，研制效率降低。为了解决当前弹炮结合武器火控实时仿真平台存在的的问题，笔者设计了一体化弹炮结合武器火控实时仿真平台。

弹炮结合武器火控实时仿真平台可用于支持火控系统的预先研究、方案设计、详细设计和系统综合等不同阶段的研究工作，能够在多种环境和工作状态下综合评估火控系统的性能指标，验证系统功能的正确性和接口的协调性[4]。为了实现仿真验证功能并且改进现有火控实时仿真系统的不足，设计了一体化实时仿真平台，其工作原理如图1所示。该平台与仿真管理机、数据处理机组成完整的仿真系统。一体化火控实时仿真平台包括电源板、底板、网络交换板以及多个功能板。功能板主要有数据采集板、火控处理板、信息模拟板以及备板，功能板上运行嵌入式实时操作系统，可以满足系统实时仿真要求。仿真管理机和数据处理机为非实时系统，均可采用安装Windows操作系统的普通笔记本和相应的应用软件实现所要求的功能，此外也可安装嵌入式实时软件开发工具，作为实时软件的开发平台。

信息模拟板接收仿真管理机的控制，能接收仿真管理机传输的信息并通过CAN总线将信息实时输出，作为火控处理板的输入，是系统仿真数据源头；
火控处理板接收信息模拟板输出的信息，运行火控解算模型，进行数据解算处理并通过CAN总线输出解算信息；
数据采集板能采集系统全部CAN总线实时数据并上传到数据处理机，另外产生系统同步信号用于仿真时钟推进。

数据处理机与数据采集板构成上、下位机模式，其通过以太网接收数据采集板上传的采集数据，进行数据处理分析，用于检查系统功能、分析性能，同时监控系统的状态。仿真管理机与信息模拟板构成上、下位机模式，其根据所设置的参数运行应用软件生成需要的车体姿态和目标位置数据，其中应用软件基于相应的数学模型来生成模拟数据；
通过以太网将所生成的姿态数据、目标位置数据、仿真控制命令、系统指令等发送到信息模拟板。

该仿真系统内部交互的信息分为实时信息和非实时信息，实时信息是系统内部的关键信息，如目标位置数据、车体姿态、火控主令数据等；
非实时信息如系统控制命令、参数配置信息等。对于实时信息传输采用CAN总线网络基于分时传输方式实现实时通信，对于非实时信息采用以太网进行通信。如图1所示，实时仿真平台内部的功能板卡之间均可基于CAN总线网络通信，实时仿真平台与数据管理机、仿真管理机等之间采用以太网传输非实时信息。

仿真系统工作流程：上电后，通过仿真管理机交互界面进行仿真参数设置，控制系统启动运行；
由信息模拟板接收上位机信息并按照参数设定进行输出，火控处理板接收目标位置信息、车体姿态信息等进行处理、输出；
由数据采集板实时采集全部CAN总线数据并在接收到系统停止指令后上传采集的数据到数据处理机进行处理、分析，以完成火控系统功能、性能仿真测试工作[5-6]。

本方案相比现有的弹炮结合武器火控实时仿真平台具有以下主要优点：

1)基于一体化设计思路对原具有不同功能的设备分别进行功能集成设计，最终实现了一块板卡取代一个设备，全部板卡集成到一个箱体内的设计目标，另外将原有功能单一的设备进行整合，实现了一体化集成设计。

2)功能板卡硬件定时均可基于软件设置参数的方式灵活配置，可以满足不同弹炮结合武器火控系统仿真节点(如火控处理板、航路仿真板等)不同时刻的数据发送需求；
针对不同ID、不同周期的数据模拟输出功能需求，可以在仿真管理软件上设置参数后最终由信息模拟板来完成，不需要再次开发信息模拟板软件，提高了系统的灵活性和重用性。

3)功能板卡接口丰富，板卡上设计了目前火控仿真系统常用的接口，如同步接口、多路串口、以太网和两路CAN网络接口，为系统测试的灵活性奠定基础。功能板卡间可以互换，只要运行不同的应用软件就可实现不同的功能，通用性好，便于维护。底板上有预留功能板卡插槽，便于功能扩展。

2.1 硬件设计

为了提高仿真平台的重用性、可扩展性以及可维护性，一体化火控实时仿真平台硬件设计基于外场可更换结构(LRM)架构，该架构具有可带电插拔，可靠性、互换性好等特点。一体化火控实时仿真平台包括电源板、母板、网络交换板以及4块功能板，如图2所示。

网络交换板实现内部功能板卡之间的以太网数据交换。电源板接收外部24 V直流供电，进行转换后为仿真平台内其他板卡供电。功能板主要实现数据处理，包括信息模拟板、火控处理板、数据采集板以及备板。功能板卡设计具有相同的接口和功能，功能板卡间可以互换，接口种类多，接口数量均有预留，可以满足系统扩展要求。

功能板卡CPU选用主频≥800 MHz的国产龙芯2K1000军品级处理器，内存≥1 GB，Flash≥128 MB，硬盘≥8 GB，EEPROM≥16 KB；
1路RS485同步信号输入，6路CAN总线接口，2路RS422接口，1路RS485接口，2路RS232接口，1路10/100/1 000M自适应以太网接口，1路USB2.0并支持Reworks实时操作系统。

2.2 软件设计

2.2.1 软件总体架构

系统软件总体架构如图3所示，其中仿真管理软件和数据处理软件运行在两个上位机上，为非实时软件，基于Qt开发，其余的软件均为基于国产Reworks实时操作系统的嵌入式实时软件,均部署于一体化实时仿真平台内的功能板卡上。实时软件基于CAN总线网络进行实时信息交互，而非实时软件基于以太网进行通信[7-8]。

上、下位机的软件架构如图4所示，软件基于分层结构，软件运行时上位主机既是嵌入式实时系统开发主机，也是仿真系统运行时的仿真管理机或者数据处理机，都通过上位主机与目标机之间的以太网通信下载。

2.2.2 软件设计

2.2.2.1 仿真管理软件

为了实现系统的灵活性和通用性，仿真管理软件实现目标航路仿真模型、车体姿态仿真模型参数的设置及仿真模型的求解、仿真源数据生成；
基于软件实现CAN总线数据发送ID、发送周期等参数的设置，并将这种配置以及仿真源数据通过以太网下发到信息模拟板，由其按照数据的周期、ID、数据格式进行数据发送。该方案灵活方便，易于在上位机软件上扩展新功能而不需要改变下位机软硬件，就可以满足不同火控方案对不同仿真数据源的数据需求[9]。

软件运行时，操作人员设置仿真参数(如目标航路类型)、航路参数(如航路高度、速度等)，设置车体姿态模型的参数(如车体速度、航向角、纵摇角和横滚角仿真模型系数等)；
软件根据所设置的参数求解模型，生成需要的车体姿态和目标位置数据；
通过以太网将所生成的车体姿态数据、目标位置数据发送到信息模拟板；
用户发送仿真命令控制信息模拟板通过CAN总线实时输出仿真数据到火控处理板。

2.2.2.2 信息模拟软件

信息模拟软件运行于信息模拟板，该软件接收上位机指令和数据，实现CAN总线数据实时转发功能。该软件运行时根据与上位机的协议，接收上位机通过以太网传输的车体姿态、目标位置数据暂存于内存，接收上位机的CAN总线数据发送配置参数。在收到仿真“开始”指令后，按照参数设定值通过CAN总线实时输出包括车体姿态数据、目标位置数据、系统指令等数据，作为火控处理板的输入；
收到仿真“停止”指令后停止输出数据。

2.2.2.3 火控处理软件

火控处理软件运行于火控处理板上，该软件为嵌入式实时软件，软件实现火控数学模型的实时求解。火控模型一般包括目标运动估计模型、迭代解算模型、射击线稳定等多个模型。由于不同火控方案对应的火控模型及软件功能、性能要求不同，所以需要基于实时平台进行开发和测试验证。

火控处理软件功能接收目标位置信息，进行目标运动状态估计，根据估计结果进行相遇点的迭代计算，求取射击诸元；
接收车体姿态数据进行射击线稳定计算，通过CAN总线输出火控主令信息。

2.2.2.4 数据采集软件

数据采集板运行嵌入式实时数据采集监控软件，具有采集、监控两种模式。在采集模式下，收到上位机的“开始”指令则实时采集系统CAN总线上传输的实时数据，收到“停止”指令则上传数据到数据处理机进行分析处理；
在监控模式下，实时采集数据并实时上传到上位机用于显示曲线、数据，实现对全系统的实时监控。此外，数据采集板能产生系统同步信号发送给各个功能板，用于仿真时钟推进。

2.2.2.5 数据处理软件

数据处理机与数据采集板构成上、下位机模式，数据处理机运行基于Qt工具开发的数据监控处理软件，该软件具有对下位机控制、数据处理分析和数据监控等功能。该软件通过以太网发送命令进行数据采集、监控模式控制。在采集模式下，接收上传的CAN总线采集数据，进行数据处理分析，检查系统功能，统计性能指标；
在监控模式下，接收数据采集板上传的监控数据，实时绘制不同数据曲线，监控系统状态。

为了评估某虚拟闭环校射火控系统方案的正确性，基于该实时仿真平台开展了性能仿真验证试验。根据系统方案设计，基于开发工具和仿真模型开发火控处理软件和虚拟闭环校射软件，分别下载并固化于火控处理板和备板中，其中备板完成闭环校射功能中的校正量的计算,并输出到火控处理板[10]。

系统运行时首先在仿真管理软件上设置航路参数，如航路类型设置为“蛇形机动”，航路高度1 km,目标速度255 m/s，机动幅度30 m及频率0.15 Hz等参数，软件根据配置参数和对应的模型计算目标航路位置。此外，根据系统CAN总线数据传输协议设计CAN总线信息传输时刻、周期等并进行参数设置，如目标位置数据发送时刻为第5 ms时刻、发送周期为20 ms等。设置完成后发送指令，启动系统运行，航路数据和参数将下发到信息模拟板上；
同时，启动数据采集板采集总线数据。

信息模拟板接收启动指令后，由信息模拟软件将目标位置数据和车体姿态数据发送到CAN总线上。火控处理板接收目标位置信息求取射击诸元；
接收车体姿态数据进行射击线稳定计算，接收校正量进行综合计算后通过CAN总线输出火控主令、状态信息，数据采集板实时采集全部CAN总线上的数据。

仿真试验结束时仿真管理软件发送指令停止仿真，信息模拟板在收到该指令后停止数据发送任务，火控处理板停止火控解算任务，校射板停止校正量计算输出，数据处理机接收采集板上传的系统总线数据，实现对校射条件下与非校射条件下的火控误差的比较分析。

试验证明，通过设置不同的仿真参数可以实现不同航路、不同姿态仿真以及闭环校射、火控解算功能与性能仿真，验证了该平台设计方案的正确性以及良好的重用性、可扩展性。在虚拟闭环校射仿真试验中，在相同航路参数条件下基于该实时仿真平台所生成的蛇形机动航路数据与基于MATLAB数值仿真数据曲线对比如图5所示，二者仿真结果基本保持一致，证明实时仿真平台可以准确地反应火控系统性能。

基于该实时仿真平台所进行的虚拟闭环校射火控系统性能评估结果，校射前、后的方位角和射角误差曲线如图6、7所示。试验结果表明所设计的虚拟闭环校射方案合理，系统功能实现正常,接口匹配,工作流程正确，能满足各项性能指标要求,校射效果良好，为后续实装应用奠定了基础。

笔者通过构建弹炮结合武器一体化火控实时仿真平台，建立了火控系统性能仿真与验证环境，为弹炮结合武器火控系统性能和技术指标的验证提供了技术支撑。该平台在实际应用中缩短了火控系统的研制周期，提升了仿真验证效率，验证了系统总体性能。实践证明，构建的实时仿真平台方案正确可行，可以为相似的仿真平台提供借鉴。