王 帥，劉豫東，朱啟文，江 坤

(1南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094;2南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210046)

0 引言

機(jī)載布撒武器是各國在總結(jié)海灣戰(zhàn)爭經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按照低成本、多用途的要求，提出和發(fā)展的一種介于空地導(dǎo)彈和航空子母炸彈之間的新型武器，是一種能在敵防空火力外投放、能攜帶多種子彈藥、高精度、模塊化、全天候的滑翔型空地制導(dǎo)武器[1]。

機(jī)載布撒武器是一種集多種現(xiàn)代高新技術(shù)于一身的復(fù)雜武器系統(tǒng)，子彈藥拋撒機(jī)構(gòu)作為多用途機(jī)載布撒武器系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，子彈藥的拋撒和飛行狀態(tài)直接決定了武器系統(tǒng)最終的毀傷效果。目前在拋撒試驗(yàn)中主要采用彈體飛行過程中傳感器采集信號(hào)傳遞到存儲(chǔ)器保存，試驗(yàn)后回收存儲(chǔ)設(shè)備再使用專用信號(hào)讀出設(shè)備獲取子彈拋撒和飛行數(shù)據(jù)，但由于野外實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜、存儲(chǔ)器容易損壞和存儲(chǔ)器電量不足等各種原因試驗(yàn)后無法獲得數(shù)據(jù)。為了更有效的獲得子彈拋撒和飛行過程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，文中根據(jù)某布撒武器拋撒系統(tǒng)的特點(diǎn)和試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)和開發(fā)了彈載動(dòng)態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)功能完善，方便了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)獲取、實(shí)時(shí)管理和后期分析。

1 系統(tǒng)功能

針對(duì)布撒武器開艙拋撒的工作過程，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了子彈拋撒過程中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集、采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的無線分集實(shí)時(shí)傳輸、無線管理主機(jī)的遠(yuǎn)程控制和采集與分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及分析等功能。

1)子彈動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集功能。通過裝在子彈上的傳感器對(duì)開艙拋撒數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的子彈動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

2)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)無線分集實(shí)時(shí)傳輸功能。通過分集無線傳輸技術(shù)接收存儲(chǔ)的子彈動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并將接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

3)無線管理主機(jī)遠(yuǎn)程控制功能。通過無線方式向系統(tǒng)的各個(gè)部分發(fā)送命令，管理各部分間的無線數(shù)據(jù)通信，完成對(duì)各部分的無線控制。

4)采集與分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析功能。通過友好的人機(jī)交互界面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理、分析、處理、存儲(chǔ)和查詢等功能，直觀地將試驗(yàn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶。

2 系統(tǒng)的組成

根據(jù)機(jī)載布撒器開艙拋撒的特點(diǎn)，以及對(duì)子彈拋撒動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集和處理分析的要求，設(shè)計(jì)了彈載動(dòng)態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)采用有線和無線相結(jié)合的方式將各子模塊緊密的連接起來，實(shí)現(xiàn)了各模塊間的協(xié)調(diào)工作和統(tǒng)一管理。本系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，其硬件環(huán)境由中央控制計(jì)算機(jī)、信息記錄遠(yuǎn)傳管理主機(jī)、無線節(jié)點(diǎn)中繼器和彈載動(dòng)態(tài)信息記錄儀等設(shè)備構(gòu)成。采集與分析軟件是以基于Windows系統(tǒng)下的交互式開發(fā)環(huán)境為核心，使用C#進(jìn)行整體開發(fā)。通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的密切配合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備控制、實(shí)時(shí)傳輸和數(shù)據(jù)分析等功能[2]。圖1描述了系統(tǒng)各部分間的數(shù)據(jù)交聯(lián)情況。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交聯(lián)圖

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

彈載動(dòng)態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)的硬件主要由彈載動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)無線分集傳輸模塊、彈載信息記錄遠(yuǎn)傳管理主機(jī)和中央控制計(jì)算機(jī)等部分組成。各子模塊間并行運(yùn)行，由中央控制計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)了子模塊間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息傳遞。圖2描述了系統(tǒng)各子模塊間的連接結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)圖

3.1 彈載動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊

彈載動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊由彈載存儲(chǔ)單元、同體天線和傳感器數(shù)據(jù)接口等部分組成。機(jī)載布撒器進(jìn)行拋撒試驗(yàn)時(shí)該模塊裝在子彈內(nèi)部，彈載存儲(chǔ)單元通過同體天線接收無線控制信號(hào)和發(fā)送子彈拋撒飛行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)接到中央控制計(jì)算機(jī)發(fā)布無線測(cè)試命令控制信號(hào)后開始工作，拋撒過程中自動(dòng)采集裝在子彈上的傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，在子彈飛行過程中將數(shù)據(jù)經(jīng)過同體天線進(jìn)行傳輸[3]。

模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)拋撒過程中子彈動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)和無線發(fā)送功能[4]。其技術(shù)指標(biāo)如下：1)抗過載能力10000g;2)采樣通道4個(gè);3)采樣分辨率12bits;4)采樣頻率25kSPS;5)存儲(chǔ)容量256kB×16bits;6)無線數(shù)據(jù)傳輸速率120kbps;7)數(shù)據(jù)保持時(shí)間15天;8)天線增益優(yōu)于－2dB。

3.2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)無線分集傳輸模塊

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)無線分集傳輸模塊由鞭狀天線、無線節(jié)點(diǎn)中繼器和數(shù)據(jù)線等部分組成。機(jī)載布撒器進(jìn)行拋撒試驗(yàn)時(shí)該模塊架設(shè)于地面，無線節(jié)點(diǎn)中繼器通過鞭狀天線向彈載動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送無線控制信號(hào)和接收采集到的動(dòng)態(tài)飛行數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)線傳輸。在進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)分集接收數(shù)據(jù)時(shí)，可調(diào)節(jié)鞭狀天線的方向，使其方向分布各異，達(dá)到理想的空間分集效果，使無線數(shù)據(jù)的丟包率在1%以下[5]。

模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)拋撒過程中子彈動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的無線接收和傳輸功能。其技術(shù)指標(biāo)如下：1)工作頻率280～900 MHz;2)接收靈敏度－85dBm;3)發(fā)射接收輸出功率10dBm;4)無線數(shù)據(jù)傳輸速率240kbps;5)UTP網(wǎng)絡(luò)線連接。

3.3 彈載信息記錄遠(yuǎn)傳管理主機(jī)

為了加強(qiáng)各模塊間的相互協(xié)作和提高數(shù)據(jù)傳輸速度，系統(tǒng)通過彈載信息記錄遠(yuǎn)傳管理主機(jī)向各模塊發(fā)送控制命令，統(tǒng)一管理各模塊間的數(shù)據(jù)通信，對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分集接收和綜合處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的無線控制和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸功能。

3.4 中央控制計(jì)算機(jī)

中央控制計(jì)算機(jī)上裝有信息采集和分析軟件，用戶試驗(yàn)時(shí)可以清楚了解到各模塊的工作狀態(tài)，通過友好的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一控制，試驗(yàn)后可將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的采集與分析軟件采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，基于Windows系統(tǒng)環(huán)境，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，使用C#進(jìn)行整體開發(fā)，通過Access數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。軟件的整體框架劃分為前臺(tái)操作處理和后臺(tái)傳輸控制，前臺(tái)為用戶提供了一個(gè)友好的人機(jī)交互界面，用戶可以方便的進(jìn)行硬件配置、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)分析處理，后臺(tái)負(fù)責(zé)與硬件的交互，通過串口適配引擎與硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和解析。

4.1 軟件的功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)載布撒武器的試驗(yàn)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，將采集與分析軟件整體功能進(jìn)行模塊劃分，主要包括主模塊、單元管理模塊、戶外實(shí)驗(yàn)?zāi)K、信息查詢模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和系統(tǒng)管理模塊。主模塊根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)控制整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程，調(diào)用各功能模塊，控制各個(gè)模塊之間的切換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能。

在采集與分析軟件的設(shè)計(jì)中，為了更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸，保證其可靠性和完整性，每個(gè)功能模塊又分有不同的子模塊，使用線程完成對(duì)模塊的各項(xiàng)操作。由于采用了模塊化結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的通用性、可靠性和實(shí)用性。根據(jù)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，軟件的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。以下對(duì)各主要功能模塊進(jìn)行說明。

圖3 軟件功能模塊設(shè)計(jì)圖

4.1.1 單元管理模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈載動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊的相關(guān)操作，完成對(duì)所使用彈載存儲(chǔ)單元名稱、地址、頻率和備注等信息的配置查詢，對(duì)采集數(shù)據(jù)所使用傳感器類型、靈敏度、量程、曲線顏色和備注等信息的配置查詢，通過可視化界面實(shí)現(xiàn)對(duì)彈載存儲(chǔ)單元和傳感器的配置、管理和查詢功能。

4.1.2 戶外實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該模塊可針對(duì)某次機(jī)載布撒武器拋撒試驗(yàn)的具體要求和目的，完成試驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)信息的填寫，查詢和配置連接在無線管理主機(jī)上的節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)喚醒彈載存儲(chǔ)單元使其處于工作狀態(tài)，并在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.1.3 信息查詢模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)試驗(yàn)信息的查詢及相關(guān)的處理操作，可根據(jù)所輸入條件查詢相應(yīng)的試驗(yàn)信息和相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和傅里葉變換等操作，還可導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)后對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)查詢和分析處理功能。

4.1.4 數(shù)據(jù)操作模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)完成對(duì)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作，包括導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)源到系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份，恢復(fù)備份數(shù)據(jù)到當(dāng)前系統(tǒng)中。

4.1.5 系統(tǒng)管理模塊

該模塊記錄了整個(gè)系統(tǒng)的配置和維護(hù)等管理信息，通過查看系統(tǒng)日志可以查詢系統(tǒng)出現(xiàn)的警告信息、錯(cuò)誤信息和歷史使用記錄等相關(guān)信息。

4.2 軟件的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在布撒器拋撒試驗(yàn)時(shí)需要將傳感器采集到數(shù)字量轉(zhuǎn)化為被測(cè)的物理量，然后將其在各硬件模塊間進(jìn)行傳輸，最后顯示在用戶界面上并進(jìn)行圖形處理。為了更好的完成試驗(yàn)任務(wù)，設(shè)計(jì)了包括控制引擎、數(shù)據(jù)處理引擎、串口適配引擎、圖形引擎和數(shù)據(jù)庫引擎的軟件整體架構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理等功能。圖4為軟件的整體技術(shù)架構(gòu)，此圖描述了該軟件開發(fā)過程中所用到的技術(shù)模塊，以及各種技術(shù)模塊之間的銜接。

4.2.1 串口適配引擎

圖4 軟件整體技術(shù)架構(gòu)

串口適配引擎主要由多端口匹配模塊、串口數(shù)據(jù)收發(fā)線程池和協(xié)議適配層組成。引擎通過多端口匹配模塊對(duì)連接的各端口進(jìn)行適配，通過協(xié)議適配層定義的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)當(dāng)前連接的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊和系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析適配，利用串口收發(fā)線程池對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，并通知界面線程進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和保存。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理引擎

數(shù)據(jù)處理引擎通過采用線程池技術(shù)對(duì)線程進(jìn)行管理，為每個(gè)進(jìn)程提供了一個(gè)線程池，一個(gè)線程池有若干個(gè)等待數(shù)據(jù)操作狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)等待操作完成時(shí)，線程池中的輔助線程會(huì)執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的工作效率，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

4.2.3 數(shù)據(jù)庫引擎

數(shù)據(jù)庫引擎主要由異構(gòu)數(shù)據(jù)庫適配模塊、批量數(shù)據(jù)處理模塊和事務(wù)處理模塊組成，通過引擎實(shí)現(xiàn)各模塊間的協(xié)調(diào)工作，完成數(shù)據(jù)的批處理和快速存儲(chǔ)。

4.2.4 圖形引擎

為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中子彈動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)保證圖形的完整性，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)圖形繪制模塊和圖形實(shí)時(shí)補(bǔ)點(diǎn)模塊，使用戶可以實(shí)時(shí)的觀測(cè)到子彈的狀態(tài)，并處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的丟失情況。試驗(yàn)后，為了更好的處理和分析數(shù)據(jù)圖形曲線，設(shè)計(jì)了圖形處理模塊和圖形分析模塊，使用戶可以方便的對(duì)數(shù)據(jù)圖形曲線進(jìn)行放大縮小、截屏分屏對(duì)比、濾波和傅里葉變換等操作。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

彈載動(dòng)態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)已經(jīng)在某機(jī)載布撒武器的拋撒試驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)用，試驗(yàn)時(shí)子彈內(nèi)安裝有兩個(gè)加速度傳感器，分別接在彈載存儲(chǔ)單元的1和4傳感器通道上，試驗(yàn)過程中系統(tǒng)成功的采集到了子彈的拋撒過載數(shù)據(jù)，試驗(yàn)后經(jīng)過濾波等分析處理得到了滿意的過載曲線。圖5、圖6為試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的過載曲線和濾波處理后過載曲線。

圖5 試驗(yàn)實(shí)測(cè)過載曲線

圖6 濾波處理后過載曲線

6 結(jié)論

在機(jī)載布撒武器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，子彈藥拋撒機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)武器系統(tǒng)的總體性能，直接決定了武器系統(tǒng)最終的作戰(zhàn)威力，在機(jī)載布撒武器研制中至關(guān)重要。以前對(duì)子彈藥拋撒過程中的數(shù)據(jù)獲取主要采用試驗(yàn)完成后回收數(shù)據(jù)采集裝置方式，試驗(yàn)過程繁瑣、復(fù)雜且受環(huán)境影響大，往往由于各種原因無法有效地獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大影響試驗(yàn)的效果。文中根據(jù)布撒武器拋撒試驗(yàn)的測(cè)試需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了彈載動(dòng)態(tài)信息采集與分析系統(tǒng)。采集系統(tǒng)利用無線分集技術(shù)為拋撒試驗(yàn)提供有效的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分集采集和傳輸手段，分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和分析處理等功能，方便了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、管理和后期分析。

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