馬 艷， 薄志峰

（中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)92分隊(duì)，遼寧 葫蘆島125001）

0 引言

未來戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)于武器裝備的作戰(zhàn)要求向著“快速、精確、高效”的方向發(fā)展，而導(dǎo)引頭對(duì)于反艦導(dǎo)彈的命中精度、突防能力、抗干擾能力等都起著至關(guān)重要的作用，因此對(duì)導(dǎo)引頭性能指標(biāo)的檢驗(yàn)是導(dǎo)彈試驗(yàn)與鑒定過程中一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。導(dǎo)引頭需要檢驗(yàn)的指標(biāo)主要包括導(dǎo)引頭作用距離、捕捉可靠性、跟蹤穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)能力以及抗干擾性能等，要想全面檢驗(yàn)導(dǎo)引頭的性能僅靠幾次導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而且完全靠導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)來檢驗(yàn)也是很不經(jīng)濟(jì)的。這是一個(gè)多目標(biāo)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)問題。

本文針對(duì)反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭試驗(yàn)與鑒定，采用運(yùn)籌學(xué)中的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行試驗(yàn)階段總體設(shè)計(jì)，提出最優(yōu)路徑，在不同階段研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析方法，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，獲取典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，分段對(duì)導(dǎo)引頭的性能進(jìn)行分析與評(píng)估，為下一階段試驗(yàn)提供子樣和依據(jù)，為最終試驗(yàn)結(jié)果的分析評(píng)定奠定基礎(chǔ)。

1 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法基本思想

運(yùn)籌學(xué)主要研究解決實(shí)際問題時(shí)的系統(tǒng)優(yōu)化思想，從提出問題、分析建模、求解到方案實(shí)施整個(gè)過程具有一整套嚴(yán)密的科學(xué)方法。按照所解決問題性質(zhì)的差別，可分為線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、圖論與網(wǎng)絡(luò)分析、存貯論、排隊(duì)論、對(duì)策論等分支。其中，動(dòng)態(tài)規(guī)劃是研究多階段決策過程最優(yōu)化的運(yùn)籌學(xué)分支，適合解決大型復(fù)雜試驗(yàn)的設(shè)計(jì)問題。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃法研究多階段決策過程的總體優(yōu)化，目標(biāo)是達(dá)到整個(gè)活動(dòng)過程的總體效果最優(yōu)。將整個(gè)活動(dòng)按時(shí)間順序分解成若干相互聯(lián)系的階段，每個(gè)階段依次進(jìn)行決策，上一階段的輸出狀態(tài)是下一階段的輸入狀態(tài)，本段決策的執(zhí)行將影響到下一段的決策。因此，從系統(tǒng)總體出發(fā)，使由各階段序列構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最優(yōu)。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的基本思想如下［1］：

a）將多階段決策過程劃分階段，恰當(dāng)?shù)剡x取狀態(tài)變量、決策變量及定義最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)，從而把問題化成一族同類型的子問題，然后逐個(gè)求解；

b）求解時(shí)從邊界條件開始，逆（或順）過程行進(jìn)方向，逐段遞推尋優(yōu)，在每一個(gè)子問題求解時(shí)，都要使用它前面已求出的子問題的最優(yōu)結(jié)果，最后一個(gè)子問題的最優(yōu)解，就是整個(gè)問題的最優(yōu)解；

c）動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是既把當(dāng)前一段與未來各段分開，又把當(dāng)前效益和未來效益結(jié)合起來考慮的一種最優(yōu)方法，因此每段的最優(yōu)決策選取是從全局考慮的。

2 導(dǎo)引頭試驗(yàn)階段設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)在充分考慮考核被試品性能指標(biāo)評(píng)定要求的前提下，還要考慮試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、試驗(yàn)設(shè)施、試驗(yàn)裝備等實(shí)際條件，設(shè)法以較少的投資獲取最大數(shù)量的有用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，做到資源高度共享，信息高效融合。

針對(duì)導(dǎo)引頭的多項(xiàng)性能指標(biāo)考核，遵循動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的思想，可以按時(shí)間特征將整個(gè)導(dǎo)引頭試驗(yàn)過程劃分為實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)試驗(yàn)、導(dǎo)引頭對(duì)海試驗(yàn)、導(dǎo)引頭海上掛飛試驗(yàn)三個(gè)階段，在不同階段獲取典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息。

（1）實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，可以利用目標(biāo)模擬器等設(shè)備模擬測(cè)試導(dǎo)引頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如檢驗(yàn)導(dǎo)引頭接收機(jī)靈敏度、目標(biāo)記憶能力、主被動(dòng)導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合能力等。還可以對(duì)導(dǎo)引頭加載各種干擾，如欺騙干擾、壓制干擾、噪聲干擾等，采集并記錄導(dǎo)引頭在各種干擾環(huán)境下的工作狀態(tài)，分析導(dǎo)引頭的抗干擾能力。

（2）導(dǎo)引頭對(duì)海試驗(yàn)

將導(dǎo)引頭架設(shè)在海邊，在海背景條件下選擇適當(dāng)航路，利用真實(shí)目標(biāo)（艦艇或者模擬靶船）的運(yùn)動(dòng)來檢驗(yàn)導(dǎo)引頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如導(dǎo)引頭作用距離、目標(biāo)選擇性、捕捉可靠性、跟蹤穩(wěn)定性、跟蹤精度、環(huán)境適應(yīng)能力以及抗干擾性能等。

（3）導(dǎo)引頭海上掛飛試驗(yàn)

在接近實(shí)戰(zhàn)環(huán)境條件下，利用機(jī)載飛行試驗(yàn)的可重復(fù)性，動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)導(dǎo)引頭的功能及性能指標(biāo)，以及導(dǎo)引頭對(duì)海雜波的抑制能力和導(dǎo)引頭的突防能力，為后續(xù)導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

考慮到試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等實(shí)際條件，接下來要研究在總試驗(yàn)投資一定的前提下，每個(gè)試驗(yàn)階段尤其是第二、三階段的組織實(shí)施方案，合理控制試驗(yàn)次數(shù)，統(tǒng)籌安排試驗(yàn)項(xiàng)目，以達(dá)到最優(yōu)決策的目的，為最終試驗(yàn)結(jié)果的分析評(píng)定奠定基礎(chǔ)。

分析每個(gè)階段的試驗(yàn)?zāi)康?，結(jié)合導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)飛行試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑行┰囼?yàn)項(xiàng)目可以結(jié)合進(jìn)行，一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目可以安排多個(gè)性能指標(biāo)的考核，合理優(yōu)化試驗(yàn)方案，有效縮短試驗(yàn)周期。導(dǎo)引頭試驗(yàn)項(xiàng)目可以大致合并為以下五類：

a）項(xiàng)目一：作用威力、連續(xù)跟蹤；

b）項(xiàng)目二：搜索掃描、目標(biāo)識(shí)別、穩(wěn)定跟蹤；

c）項(xiàng)目三：末段跟蹤、角閃爍；

d）項(xiàng)目四：環(huán)境適應(yīng)能力；

e）項(xiàng)目五：抗干擾能力。

實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)試驗(yàn)階段可以安排項(xiàng)目一、二、三、五，試驗(yàn)組織和實(shí)施方便，可以多次重復(fù)進(jìn)行；對(duì)海試驗(yàn)階段可以安排項(xiàng)目一、二、四、五試驗(yàn)，但試驗(yàn)組織和實(shí)施較困難，試驗(yàn)消耗較大，試驗(yàn)次數(shù)要適當(dāng)；海上掛飛試驗(yàn)階段可以在接近實(shí)戰(zhàn)環(huán)境條件下，安排所有項(xiàng)目試驗(yàn)，但相對(duì)來說試驗(yàn)組織和實(shí)施最困難，試驗(yàn)消耗最大，試驗(yàn)次數(shù)要盡可能減少。

表1為三個(gè)階段不同試驗(yàn)項(xiàng)目參數(shù)選取表，表2為各個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)期效益計(jì)算表（列舉數(shù)據(jù)僅供參考）。其中，試驗(yàn)實(shí)施方便性與組織一次實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)投資mi成反比，獲取數(shù)據(jù)有效性是對(duì)于導(dǎo)引頭最終試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定而言的，Xi為每個(gè)階段試驗(yàn)次數(shù)。

在總試驗(yàn)投資m一定的前提下，將其投資于三個(gè)試驗(yàn)階段mi（i＝1，2，3），每個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的預(yù)期效益分別為gj（j＝1，2，3，4，5），以獲取最大效益，由此求出每個(gè)階段的試驗(yàn)次數(shù)Xi（i＝1，2，3）。當(dāng)然對(duì)于實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)試驗(yàn)中，不同試驗(yàn)項(xiàng)目X1可以為不同值，在此統(tǒng)一記為X1只是為了表達(dá)直觀。建立動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型如下：

求X1，X2，X3，使 max gj＝g1jX1＋g2jX2＋g3jX3，且滿足約束：

應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法救解，按逆推的方法，首先考慮第三階段投資，再考慮第二、第一階段投資。于是有：階段k，本例中取1，2，3。

表1 三個(gè)階段不同試驗(yàn)項(xiàng)目參數(shù)選取表（示例）

表2 預(yù)期效益計(jì)算表（示例）

狀態(tài)變量Sk：第k階段可以投資于第k至第3階段的資金。

決策變量mk：決定給第k階段投資的資金。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為

最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)fk（Sk）：當(dāng)可投資金為Sk時(shí)，投資第k至第3階段所得的最大效益。

基本方程為

逐階段求解，便可得到一定投資額情況下，各試驗(yàn)階段的最佳投資金額和試驗(yàn)次數(shù)，f1（m）就是最大效益。根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定每個(gè)試驗(yàn)階段的實(shí)施方案，統(tǒng)籌安排試驗(yàn)項(xiàng)目，就可以到最優(yōu)決策的目的。

3 導(dǎo)引頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)引頭不同試驗(yàn)階段的數(shù)據(jù)采集既有相同的地方，又各具特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)試驗(yàn)和導(dǎo)引頭對(duì)海試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集，要求能夠全面記錄導(dǎo)引頭各種工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集通道多、采樣率高，通道之間相位誤差??；導(dǎo)引頭海上掛飛試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集，要求便攜性好，滿足振動(dòng)要求，工作穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間長(zhǎng)。因此，需要針對(duì)不同條件下的試驗(yàn)需求研究相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)試驗(yàn)和導(dǎo)引頭對(duì)海試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要用于實(shí)驗(yàn)室，對(duì)設(shè)備尺寸和振動(dòng)性能沒有過多要求，可以選擇PXI系統(tǒng)作為數(shù)采的儀器平臺(tái)，采用6通道100 MHz數(shù)據(jù)采集模塊采集導(dǎo)引頭IQ信號(hào)，32通道100 k Hz數(shù)據(jù)采集模塊采集導(dǎo)引頭其它電壓信號(hào)，16通道數(shù)字IO模塊采集導(dǎo)引頭狀態(tài)信號(hào)并對(duì)導(dǎo)引頭進(jìn)行復(fù)位控制，用磁盤陣列實(shí)現(xiàn)較大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成框圖

導(dǎo)引頭海上掛飛試驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求很高，需要采集記錄多路IQ信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)和幾十路狀態(tài)信號(hào)，采集信號(hào)量非常多，還要根據(jù)飛機(jī)艙室位置大小確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)減振裝置等。因此，單片機(jī)系統(tǒng)往往難以勝任，通常只能采取聯(lián)機(jī)處理模式，或者靠其它芯片擴(kuò)展系統(tǒng)資源來完成系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，使系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性受到影響。而FPGA擁有非常豐富的I／O資源，通常具有上百個(gè)I／O端口，可充分滿足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)采集量的需求；FPGA的硬件可編程性，使在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，電路設(shè)計(jì)得到優(yōu)化，最大限度地減少對(duì)硬件電路的改動(dòng)；FPGA在采集速度上的優(yōu)勢(shì)，也是單片機(jī)所無法比擬的［2］。因此，接下來以FPGA為邏輯控制核心進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

3．1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要由工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集記錄器組成，通過USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)采集記錄器可分成4個(gè)功能模塊（如圖2所示），其中FPGA是該系統(tǒng)的核心，主要對(duì)調(diào)理過的導(dǎo)引頭參數(shù)進(jìn)行采集，并將采集到的參數(shù)在其內(nèi)部處理后送給工控機(jī)。

（1）主控卡

由USB接口電路、FPGA主控及緩存電路，電源轉(zhuǎn)換模塊和全局時(shí)鐘組成。

主控卡的主要功能：通過USB接口接收工控機(jī)傳來的各種命令（如讀數(shù)、擦除等指令），并由FPGA主控電路控制讀取其余各卡上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過USB接口發(fā)送給工控機(jī)。電源轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將外部數(shù)據(jù)的＋28V電源轉(zhuǎn)換成采集記錄器內(nèi)部需要的電壓，并實(shí)現(xiàn)電源的輸入輸出隔離。全局時(shí)鐘負(fù)責(zé)給多塊高速數(shù)采卡提供統(tǒng)一的時(shí)鐘，使多路模擬信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采集，以保證信號(hào)的相差要求。

（2）低速數(shù)采卡

由遙測(cè)數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)隔離電路、FPGA控制電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成。

低速數(shù)采卡的主要功能：負(fù)責(zé)多路低速遙測(cè)信號(hào)的隔離、采集與存儲(chǔ)，將遙測(cè)信號(hào)中的控制信號(hào)（S1，S2，PWS，T／S，DG，REF，F(xiàn)0～F4）隔離后送入總線背板卡上，供多塊高速卡進(jìn)行邏輯控制。

（3）高速數(shù)采卡

由信號(hào)隔離電路、數(shù)據(jù)采集電路、FPGA控制及緩存電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成。

圖2 數(shù)據(jù)采集記錄器結(jié)構(gòu)框圖

高速數(shù)采卡的主要功能：在外部輸入控制信號(hào)（S1，S2，PWS，T／S，DG）的控制下，實(shí)現(xiàn)多路I／Q信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。多塊高速數(shù)采卡上的AD轉(zhuǎn)換器用主控卡提供的統(tǒng)一時(shí)鐘進(jìn)行工作，以滿足多路I／Q信號(hào)之間的相位要求。采集到的數(shù)據(jù)在FPGA控制下存入存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)最終在主控卡的控制下通過USB接口發(fā)送給工控機(jī)，供工控機(jī)軟件分析與處理。

（4）背板卡

背板卡負(fù)責(zé)各卡的通信和供電。主控卡、低采卡和高速數(shù)采卡通過CPCI連接器插到背板卡上，各卡之間通過背板卡上的總線進(jìn)行通信和供電?？偩€包括數(shù)據(jù)總線、控制總線和電源線。

板卡連接方式：各個(gè)板卡和背板之間通過CPCI連接器連接。

電源隔離：DC－DC轉(zhuǎn)換器對(duì)外部輸入的＋28V電源進(jìn)行了隔離。

信號(hào)隔離：針對(duì)不同的輸入信號(hào)采取不同的隔離措施。遙測(cè)信號(hào)通過光耦進(jìn)行隔離。模擬信號(hào)通過隔離變壓器進(jìn)行電磁隔離。

3．2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

考慮到操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、資源占用、程序運(yùn)行效率等因素，選用Windows XP操作系統(tǒng)。軟件開發(fā)環(huán)境Lab VIEW采用圖形化編程，繼承了傳統(tǒng)編程語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點(diǎn)，支持多種系統(tǒng)平臺(tái)，可提供豐富的函數(shù)庫(kù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集板、GPIB設(shè)備、串口設(shè)備、VXI／PXI儀器，提供CLF模塊調(diào)用Windows動(dòng)態(tài)連接庫(kù)和用戶自定義的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)中的函數(shù)，便于用戶利用其它軟件平臺(tái)編譯的模塊［3］，因此選用Lab VIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和管理。

軟件主要完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析與波形回調(diào)等功能，為便于系統(tǒng)擴(kuò)展和易于維護(hù)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，主要包括初始化模塊、自檢模塊、通訊模塊、通訊接口驅(qū)動(dòng)模塊、采集控制模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和顯示模塊等。系統(tǒng)軟件總體框架如圖3所示。由主模塊通過調(diào)用適當(dāng)?shù)墓δ苣K，控制系統(tǒng)的初始化，并根據(jù)當(dāng)前的任務(wù)狀態(tài)，控制整個(gè)系統(tǒng)軟件的流程，完成各項(xiàng)任務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖3 系統(tǒng)軟件框架

本文采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭試驗(yàn)階段的總體設(shè)計(jì)，將整個(gè)導(dǎo)引頭試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)成實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)試驗(yàn)、導(dǎo)引頭對(duì)海試驗(yàn)、導(dǎo)引頭海上掛飛試驗(yàn)三個(gè)階段，合理控制試驗(yàn)次數(shù)，統(tǒng)籌安排試驗(yàn)項(xiàng)目，以達(dá)到最優(yōu)決策的目的，為后續(xù)導(dǎo)彈定型試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。通過研究導(dǎo)引頭各試驗(yàn)階段數(shù)據(jù)采集分析方法，以FPGA為邏輯控制核心進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，充分利用各階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)導(dǎo)引頭的性能指標(biāo)進(jìn)行各個(gè)層次、各個(gè)方面的考核，加強(qiáng)了導(dǎo)引頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)的開發(fā)和利用，具有重大的軍事與經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 胡運(yùn)權(quán)．運(yùn)籌學(xué)教程（第二版）［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2003：203．

［2］ 李保剛，馬登武．FPGA在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（4）：1138．

［3］ 林建榮，吳桂初．Lab VIEW 虛擬儀器與Pasco數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口研究［J］．浙江傳媒學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，（2）：44．