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靶彈飛行安全控制器設(shè)計(jì)

文檔作者：葉厚良諶國森張明文檔來源：中國人民解放軍92941部隊(duì)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月27日
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上海航天
AEROSPACE SHANGHAI 第32卷2015年第3期
文章編號：1006—1630(2015)03—0068—05
靶彈飛行安全控制器設(shè)計(jì)
葉厚良，諶國森，張明
(中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島125001)
摘要：為提高靶彈供靶可靠性，對一種基于GPS接收機(jī)、獨(dú)立于靶彈飛行控制系統(tǒng)的靶彈安控器設(shè)計(jì)進(jìn)行了
研究。給出了安控器的系統(tǒng)組成、工作原理與流程，以及靶彈相關(guān)數(shù)據(jù)采集與處理和安控實(shí)施判別準(zhǔn)則等關(guān)鍵技
術(shù)。安控系統(tǒng)的多次地面安控仿真測試。仿真測試和試驗(yàn)供靶結(jié)果表明：采用靶彈安控器能有效保障試驗(yàn)供靶
安全。
關(guān)鍵詞：靶彈；飛行安全控制；安控器；數(shù)據(jù)采集與處理；安控實(shí)施判別準(zhǔn)則
中圖分類號：TN768 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Design of Target Missle Safe Controller
YE Hou—liang，CHEN Guo—sen，ZHANG Ming
(The 92941 Unit of CPLA，Huludao 125000，Liaoning，China)
Abstract：To improve the reliability of the target missile，the safety controller based on GPS which was
independent of the flight control system of the target missile was designed in this paper．The system composition，
principle and flowchart，and key technologies of data sampling and safety control implementation criterion were
given out．The results of simulation experiment and the flying tests proved that the safety controller was effective
and dependable．
Keywords：Target missile；Flight safety control；Safe controller；Data sampling and treatment；Safety control
implementation criterion
0 引言
在組織艦載防空武器系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，需要為其提
供能逼真模擬敵方來襲反艦導(dǎo)彈的靶彈，以檢驗(yàn)艦
載防空武器系統(tǒng)的反導(dǎo)能力。靶彈通常由接近退役
的反艦導(dǎo)彈改裝而成，其飛行控制的可靠性出現(xiàn)不
同程度下降，參試時(shí)有一定風(fēng)險(xiǎn)。隨著反艦導(dǎo)彈向
大射程、高速度、低空掠海飛行、大入射角俯沖等方
向發(fā)展，靶彈暴露的安全問題日益突出。因此，在地
面技術(shù)準(zhǔn)備過程中，需對靶彈進(jìn)行反復(fù)的嚴(yán)格技術(shù)
檢測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理存在的安全隱患和故障，
確保靶彈性能可靠。但地面技術(shù)準(zhǔn)備再充分，靶彈
在供靶飛行過程中仍可能發(fā)生無法控制的情況[1]。
一旦靶彈在飛行過程中出現(xiàn)故障或未被成功攔截，
收稿日期：2015—01 18；修回日期：2015-05—08
作者簡介：葉厚良(1977一)，男，工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈武
器裝備試驗(yàn)。
可能會(huì)誤中參試艦船，威脅參試人員安全。尤其在
組織小航捷試驗(yàn)時(shí)，靶彈的射向與參試艦艇的距離
很近，該類事故發(fā)生的概率很高。同時(shí)，試驗(yàn)航區(qū)周
邊海域布滿了重要的工業(yè)目標(biāo)和民用設(shè)施，為保護(hù)
這些目標(biāo)，需預(yù)先劃定導(dǎo)彈飛行航區(qū)，將試驗(yàn)區(qū)域限
制在一定范圍[2]。若靶彈飛行失控，飛出并墜毀到
試驗(yàn)航區(qū)外，則會(huì)造成不可估量的損失。安全控制
成為靶彈供靶飛行首要解決和保障的問題。
在以往的試驗(yàn)組織過程中，為確保供靶安全，常
在靶彈上加裝被動(dòng)安控設(shè)備，用彈上遙測系統(tǒng)實(shí)時(shí)
回傳的靶彈位置等狀態(tài)信息，由地面判斷靶彈飛行
是否正常[3]。如判斷靶彈位置靠近參試艦船，通過
遙測系統(tǒng)向靶彈發(fā)出規(guī)避爬高命令，由靶彈飛行控
制系統(tǒng)控制靶彈爬高飛行，規(guī)避參試艦船；如判斷靶
彈飛出試驗(yàn)航區(qū)，通過遙測系統(tǒng)向靶彈發(fā)出安全自
毀控制命令，由靶彈飛行控制系統(tǒng)控制靶彈入水，完
成自毀操作。這種安控策略的不足有：需在彈上加
萬方數(shù)據(jù)
第32卷2015年第3期葉厚良，等：靶彈飛行安全控制器設(shè)計(jì)
裝遙測信號發(fā)射系統(tǒng)，地面配置遙測接收和控制裝
置，同時(shí)配備地面分析和決策系統(tǒng)，設(shè)備造價(jià)昂貴、
硬件成本高；采用人工判斷決策，對安控指揮人員的
能力水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)要求較高；靶彈飛行控制系統(tǒng)
的可靠性不能得到完全保證。美國等在組織靶彈供
靶試驗(yàn)時(shí)，一般在彈上加裝獨(dú)立于靶彈飛行控制系
統(tǒng)的靶彈自主安控設(shè)備，通過GPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位靶
彈的位置信息，靶彈自主安控設(shè)備根據(jù)GPS等數(shù)據(jù)
實(shí)時(shí)分析判斷靶彈狀態(tài)，從而完成靶彈的規(guī)避和自
毀控制操作，該法簡單易行，可靠性高[4]。采用這種
安控策略，面臨的一個(gè)問題是GPS信息易受外部信
號干擾。為提高靶彈供靶可靠性，確保試驗(yàn)安全，本
文對一種基于GPS接收機(jī)、獨(dú)立于靶彈飛行控制系
統(tǒng)的靶彈安控器設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。
1 安控器組成與功能模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、開放性原則，設(shè)計(jì)了基于
PCI04的靶彈安控器。其硬件平臺(tái)主要包括主控計(jì)
算機(jī)、多功能信號采集器、信號調(diào)理電路、電源模塊、
GPS接收機(jī)及天線、數(shù)傳電臺(tái)等部分。系統(tǒng)功能模
塊主要由程序裝訂、數(shù)據(jù)裝訂、與GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)
通信、安控地面仿真測試、與靶彈控制系統(tǒng)通信、彈
上設(shè)備信息采集下傳等組成。
1．1硬件組成
硬件系統(tǒng)的組成和信號傳遞如圖1所示。
ooooooooooo’?I 靶彈信號腓號調(diào)理電網(wǎng)叫多功能采集碉： ooo_··looo—I■______o___·_J■_-___’●o__—IJ
型型i曝志薊嶇志囹i
絲彝掌贏羞，H’(蔓亞=叵；羊；＆了1囪一{i
圖1 靶彈安控器硬件組成
Fig．1 Structure of the target missile safe controller
1．1．1 主控計(jì)算機(jī)
采用PCI04，選用深圳盛博公司SCM一6241B，
屬于工業(yè)級寬溫產(chǎn)品，CPU為80486，主頻為
1b0 MHz，16M在板RAM，串口6個(gè)，并口1個(gè)，
16M電子磁盤。主控計(jì)算機(jī)可根據(jù)靶彈工作時(shí)序
實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)的配置管理和數(shù)據(jù)解算等功能。
1．1．2 多功能采集器
采用盛博公司的ADT652信號采集卡，有16
單端／8差分輸入，12位分辨率，A／D采樣率最大為
100 kHz，24路I／0，82C54可編程定時(shí)器。采集板
卡為全系列通用訪問模式，極大提高了板卡應(yīng)用靈
活性和便利性，具較強(qiáng)的板卡擴(kuò)展及軟件支持功能。
1．1．3信號調(diào)理電路
根據(jù)靶彈上的信號采集要求和工作時(shí)序自行設(shè)
計(jì)，是硬件平臺(tái)的關(guān)鍵模塊，包括電壓轉(zhuǎn)換、光電隔
離(開關(guān)量)和信號驅(qū)動(dòng)三部分，以滿足A／D轉(zhuǎn)換和
開關(guān)量的輸入／輸出要求；同時(shí)實(shí)現(xiàn)電路上的隔離，
防止干擾進(jìn)入。
1．1．4 電源模塊
采用兩級式變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)，用電路解耦法
改善直流變換器的電磁兼容性。電源分兩組DC／
DC變換，將從靶彈上輸入的直流電分別變換為5，
12 V，供計(jì)算機(jī)、GPS接收機(jī)和數(shù)傳電臺(tái)使用。兩
組電源模塊均為軍品級，以保證質(zhì)量。
1．1．5 GPS接收機(jī)
選用NOVATEL公司OEM一2接收機(jī)，+5 V
供電，通過串口與計(jì)算機(jī)通信，可設(shè)置工作模式、通
信參數(shù)和導(dǎo)航電文格式等信息。
1．1．6 數(shù)傳電臺(tái)
選用MDS4710，由電源模塊轉(zhuǎn)換的12 V電壓
為其供電。該電臺(tái)采用DSP技術(shù)，抗干擾性能好，
接收靈敏度高，傳輸速度快，在惡劣條件下能可靠通
信。其專用工具軟件方便安裝調(diào)試和維護(hù)使用。
1．2功能模塊
1．2．1程序裝訂
將主控計(jì)算機(jī)上的程序裝訂串行口與編譯程序
的設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、解算、輸出及安控指令
輸出、執(zhí)行程序的裝訂與更新。
1．2．2數(shù)據(jù)裝訂
將主控計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)裝訂串行口與地面測試
設(shè)備連接，可接收地面測試軟件中數(shù)據(jù)裝訂模塊發(fā)
送的安控區(qū)域經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并按一定格式存儲(chǔ)在系
統(tǒng)的EEPROM中。
1．2．3安控仿真測試
將主控計(jì)算機(jī)上的安控仿真串行口與地面測試
設(shè)備相連，可對裝訂的安控區(qū)域進(jìn)行仿真測試，也可
實(shí)時(shí)監(jiān)測GPS的輸出信息和安控器的執(zhí)行情況。
1．2．4靶彈控制系統(tǒng)通信
連接靶彈控制系統(tǒng)與安控器通過串口，安控器
可實(shí)時(shí)接收靶彈飛控系統(tǒng)輸出的偏航等信息，作為
萬方數(shù)據(jù)
上海航天
AEROSPACE SHANGHAI 第32卷2015年第3期
安控備份數(shù)據(jù)。
1．2．5 GPS數(shù)據(jù)通信
主控計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)解
算、數(shù)據(jù)輸出及安控命令的輸出與執(zhí)行等功能。
GPS OEM板可為安控器提供經(jīng)度、緯度、高度、東／
北／天向速度等數(shù)據(jù)信息。
1．2．6 彈上設(shè)備信息采集下傳
通過多功能數(shù)據(jù)采集卡采集靶彈的模擬、開關(guān)
信號，編碼處理后可通過數(shù)傳電臺(tái)下傳至地面接收
設(shè)備。
2 安控執(zhí)行策略與軟件流程設(shè)計(jì)
2．1安控執(zhí)行策略
為保護(hù)參試艦艇等重要目標(biāo)并防止靶彈飛出試
驗(yàn)航區(qū)，根據(jù)任務(wù)區(qū)域、地理環(huán)境和航路要求，需預(yù)
先設(shè)定靶彈安控警戒和規(guī)避爬高的區(qū)域，并按一定
算法向安控器內(nèi)注入安控警戒線、安控必炸線和規(guī)
避爬高線的數(shù)據(jù)，如圖2所示[s]。這些參數(shù)是執(zhí)行
安控策略的重要依據(jù)。
圖2安控概念
Fig．2 Conceptions of flight safety controlling
2．1．1安控警戒線
安控警戒線內(nèi)部分是組織靶彈飛行試驗(yàn)的區(qū)
域，即試驗(yàn)危險(xiǎn)區(qū)，該區(qū)域?yàn)槎噙呅?，一般為四邊形?
靶彈飛行前需向彈上裝訂安控警戒線數(shù)據(jù)，包括四
邊形4個(gè)頂點(diǎn)的序號和經(jīng)緯度坐標(biāo)。設(shè)定頂點(diǎn)序號
從1開始按逆時(shí)針方向排序。
2．1．2安控必炸線(安控管道)
裝訂安控警戒線數(shù)據(jù)后，安控器自動(dòng)沿警戒線
內(nèi)縮10 km(該數(shù)值可調(diào))生成一條封閉的安控必炸
線，用于安控器發(fā)出安控自毀指令并可靠執(zhí)行。生
成的數(shù)據(jù)包括頂點(diǎn)的序號和經(jīng)緯度坐標(biāo)。頂點(diǎn)序號
按逆時(shí)針方向排序。
2．1．3規(guī)避爬高線
將參試艦艇活動(dòng)的區(qū)域投影到靶彈預(yù)定飛行航
線上，沿靶彈預(yù)定飛行航線距離該投影前端10 km
(該數(shù)值可調(diào))處生成一條垂直線，沿此垂直線往靶
彈飛行方向的區(qū)域?yàn)橐?guī)避區(qū)。安控器在靶彈到達(dá)規(guī)
避線時(shí)發(fā)出爬高指令，控制靶彈爬高以規(guī)避參試
艦艇。
2．1．4飛行航區(qū)
靶彈正常狀態(tài)下的飛行區(qū)域，由安控必炸線圍
成，即安控管道內(nèi)區(qū)域。
2．1．5安控自毀區(qū)
靶彈執(zhí)行安控自毀指令后，可能墜落地散布點(diǎn)
形成的帶狀區(qū)域，由安控警戒線和安控必炸線圍成
(圖中陰影區(qū)域)。
2．2軟件流程
主控計(jì)算機(jī)選用DOS操作系統(tǒng)為平臺(tái)，用
Turbo C+4-3．1設(shè)計(jì)控制應(yīng)用軟件。軟件系統(tǒng)主
要由初始化模塊、采集模塊、信息處理模塊、信息編
碼發(fā)送模塊、通信模塊和中斷模塊等組成，加電后自
動(dòng)運(yùn)行。軟件主程序流程如圖3所示。
靶彈通電后，安控器讀取預(yù)先裝訂的安控參
數(shù)，完成變量和硬件的初始化。靶彈發(fā)射后在空
中飛行時(shí)，安控器實(shí)時(shí)采集彈上有關(guān)信號，并分析
判斷：先判斷GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)輸出的位置信息是
否有效、有無受到干擾[6]。若GPS信號正常，則優(yōu)
先采用GPS數(shù)據(jù)；若安控器判斷GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)
輸出的位置信息無效、受到強(qiáng)烈干擾，則采用彈上
飛行控制系統(tǒng)解算出的偏航信息。安控器對GPS
或飛控偏航數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、編碼和處理，實(shí)時(shí)判定
靶彈是否處于安控區(qū)或規(guī)避區(qū)。一旦判定靶彈飛
行進(jìn)入規(guī)避區(qū)或超出安控管道，則根據(jù)安控實(shí)施
判別準(zhǔn)則，完成靶彈對參試艦艇的規(guī)避或超安全
區(qū)自毀i實(shí)現(xiàn)靶彈的安全可控飛行：當(dāng)靶彈飛入規(guī)
避區(qū)時(shí)，安控器發(fā)出規(guī)避指令，控制靶彈舵機(jī)動(dòng)作
使靶彈爬高，以規(guī)避參試艦艇；如靶彈飛出安控管
道，安控器立即輸出自毀指令，斷開靶彈上的舵機(jī)
供電線路，使靶彈迅速墜毀在安控自毀區(qū)域內(nèi)[7]。
在此過程中，靶彈安控器與地面系統(tǒng)間保持信息
聯(lián)絡(luò)，能實(shí)時(shí)將靶彈上主要設(shè)備的狀態(tài)信息和位
置信息傳送至地面設(shè)備，便于地面掌握靶彈工作
狀態(tài)。
萬方數(shù)據(jù)
第32卷2015年第3期葉厚良，等：靶彈飛行安全控制器設(shè)計(jì)
圖3軟件主程序流程
Fig．3 Flowchart of main software
3 關(guān)鍵技術(shù)
3．1 靶彈相關(guān)數(shù)據(jù)采集與處理
因彈上電磁干擾嚴(yán)重，安控器在采集彈上相關(guān)
信號特別是模擬信號時(shí)，易受各類噪聲干擾，采集的
數(shù)據(jù)可能存在失真，造成信息誤判[8]。為解決該問
題，按以下規(guī)定采集處理數(shù)據(jù)。
a)程序設(shè)定每100 mS采集1組數(shù)據(jù)，每次連續(xù)
采集50組，去除最大、最小值，剩下的48組數(shù)據(jù)作
算術(shù)平均，并將此平均值作為I／O部分信號的1次
采集數(shù)值，由此保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
b)對采集時(shí)間控制，使用計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)
時(shí)。計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘一般每55 ms計(jì)時(shí)1次，為此
修改了其定時(shí)間隔，將55 ms改為50 ms，保證采集
時(shí)間間隔準(zhǔn)確，不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間誤差累積[9]。
3．2安控實(shí)施判別準(zhǔn)則
靶彈在發(fā)射、飛行過程中，彈上電磁環(huán)境、力學(xué)
環(huán)境非常復(fù)雜，GPS信號在傳輸中易受干擾出現(xiàn)誤
碼，同時(shí)靶彈飛控系統(tǒng)輸出的角度偏航信號也可能
瞬時(shí)超過門限值[1?。因此，即使靶彈正常飛行，未
飛出安控管道，安控器也可能會(huì)出現(xiàn)誤判。對此，制
定以下安控實(shí)施判別準(zhǔn)則。
a)程序中設(shè)計(jì)了用于檢查靶彈是否出現(xiàn)角度偏
航或飛出安控管道的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)窗口。為判斷GPS
數(shù)據(jù)是否進(jìn)入規(guī)避區(qū)或超出安控管道，設(shè)計(jì)采用窗
口寬度為5、門限為3的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)窗口，即連續(xù)采集
數(shù)據(jù)5次，若有3次以上數(shù)據(jù)出現(xiàn)超界，則判為區(qū)域
超界；為判斷角度偏航，采用窗口寬度為100、門限
為80的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)窗口，即連續(xù)采集數(shù)據(jù)100次，若
有80次或大于80次偏航，則確認(rèn)為靶彈偏航。
b)設(shè)定GPS信號正常時(shí)，以GPS數(shù)據(jù)為主，此
時(shí)即使靶彈偏航，只要GPS數(shù)據(jù)未飛出安控管道，
就不發(fā)自毀指令；GPS信號不正常時(shí)，以偏航數(shù)據(jù)
為準(zhǔn)，只要連續(xù)3次動(dòng)態(tài)滑動(dòng)窗口給出偏航信號，立
即發(fā)出自毀指令。
4 可靠性仿真與分析
對安控器進(jìn)行了多次地面仿真測試，以檢驗(yàn)安
控器的工作可靠性。仿真試驗(yàn)工作原理如圖4
所示。
GPS天線數(shù)傳天線
靶彈舵機(jī)
模擬器
靶彈
安控器
簍甜索● I__qa∞，R目l
直流電源卜一‘+l模擬器
安控器仿；
監(jiān)測設(shè)備工
地面仿真
測試儀
圖4安控仿真試驗(yàn)原理
Fig．4 Principle of simulation test
試驗(yàn)前由地面仿真測試儀將安控參數(shù)，如安控
警戒線多邊形每個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度和頂點(diǎn)順序號等，
通過裝訂到靶彈安控器。模擬靶彈在空中飛行可能
遇到的各種條件及其相應(yīng)的工作狀態(tài)，地面仿真測
試儀實(shí)時(shí)將有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至安控器，檢測安控器是
否依據(jù)安控策略有效控制靶彈舵機(jī)模擬器動(dòng)作，同
時(shí)通過仿真監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控安控器的工作狀態(tài)及
其與地面的傳輸數(shù)據(jù)是否正常。仿真結(jié)果表明：設(shè)
計(jì)的安控器工作可靠，當(dāng)靶彈處于安控管道(其中管
道數(shù)據(jù)為虛擬數(shù)據(jù)，僅作參考)內(nèi)時(shí)，不執(zhí)行安控；若
飛入規(guī)避區(qū)，則執(zhí)行爬高指令(仿真結(jié)果如圖5所
萬方數(shù)據(jù)
72
上海
AERoSPACE
航天
SHANGHAI 第32卷2015年第3期
示)；若飛出安控必炸線，則執(zhí)行安控自毀指令(仿真
結(jié)果如圖6所示)。
圖5仿真測試結(jié)果(進(jìn)規(guī)避區(qū))
Fig．5 Result of simulation test 1
圖6仿真測試結(jié)果(出安控區(qū))
Fig．6 Result of the simulation test 2
5 結(jié)束語
本文通過在靶彈上加裝高可靠性、基于GPS接
收機(jī)、獨(dú)立于靶彈飛行控制系統(tǒng)的彈載安控設(shè)備，實(shí)
現(xiàn)了靶彈規(guī)避參試艦艇、在飛行控制故障或未被成
功攔截的情況下墜毀到預(yù)定安全區(qū)域的目的，并利
用靶彈控制系統(tǒng)的速度、偏航等信息作為備份，增
加了安全余度，保證了靶彈在試驗(yàn)供靶過程中的安
全可靠。靶彈安控器集信號采集、彈道測量、安全控
制、信號傳輸功能于一體，不僅能執(zhí)行靶彈安控策略
而且可實(shí)時(shí)將靶彈上主要設(shè)備的狀態(tài)信息和位置信
息發(fā)送給地面設(shè)備，便于監(jiān)測靶彈工作狀態(tài)。該系
統(tǒng)在靶場得到多次成功應(yīng)用，圓滿完成了多型試驗(yàn)
的供靶保障任務(wù)，發(fā)揮了重要作用。
將靶彈飛行控制系統(tǒng)輸出的偏航信息(當(dāng)靶彈
偏離正常射向時(shí)，超過預(yù)裝訂角度即判定為角度偏
航)作為備份，增加了安全余度，避免了當(dāng)GPS信號
受到干擾時(shí)靶彈安控器誤操控現(xiàn)象的發(fā)生。
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