李玉琳，郝巨東，姜 滿，劉開源，孫偉龍

（北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

我軍某型自行高炮武器系統(tǒng)是我軍機械化、摩托化步兵師（團）、裝甲師（旅）伴隨防空的主要裝備。目前，相當一部分該型毫米自行高炮已經(jīng)到了或接近中修期，故障率普遍較高。然而，由于部隊缺乏必要的檢測診斷設(shè)備，導(dǎo)致不能及時掌握裝備的實際技術(shù)狀態(tài)，使很多故障不能及時發(fā)現(xiàn)。其后果是導(dǎo)致故障范圍擴大，影響訓(xùn)練效果或使訓(xùn)練不能正常進行。另外，對于故障裝備，部隊通常采用組合（單體）代換法來定位和修復(fù)，由于代換單體通常只能憑經(jīng)驗進行，這一方面容易損壞正常組合（單體），另一方面使得整個連套炮車的故障單體都集中到了一門炮車上，每個連套至少有一門炮車長期處于故障甚至癱瘓狀態(tài)，嚴重影響了整體戰(zhàn)斗力。因此，考慮到戰(zhàn)時應(yīng)急保障的實際需要，部隊隨時隨地能夠檢查、掌握本身裝備的技術(shù)狀況，加強部隊自身裝備保障能力建設(shè)已是迫在眉睫[1]。

通過配備的專用檢測計算機能夠?qū)崿F(xiàn)對炮車火控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，達到總體性能測試的目的。然而，從本質(zhì)上看，它僅僅是利用計算機并行通信功能將火控系統(tǒng)工作中的某些參數(shù)傳遞出來，計算一些基本的誤差，繪制一些曲線供技術(shù)人員參考。它是以設(shè)計人員的身份、從系統(tǒng)調(diào)試的角度來實現(xiàn)的。因此，對于部隊維修保障而言使用起來太過復(fù)雜[2]。

因此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種針對該火控系統(tǒng)中的并行通信信號在線檢測模塊，通過對火控系統(tǒng)中主要節(jié)點并行通信信號的在線檢測，實現(xiàn)對火控系統(tǒng)的功能和性能監(jiān)測，方便部隊維修保障，為進一步的性能測試和故障診斷打下基礎(chǔ)。

1 火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及監(jiān)測點選擇

該型自行高炮結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)密集，主要可以分為通用底盤系統(tǒng)、火力系統(tǒng)、光電火控系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)和通信導(dǎo)航系統(tǒng)等。其中，通用底盤系統(tǒng)、火力系統(tǒng)以機械部分為主，本身也有很大的通用性，所以不在研究范圍之內(nèi)。雷達系統(tǒng)雖然自身比較復(fù)雜，但是技術(shù)上和結(jié)構(gòu)上的通用性也很強，并且與火控系統(tǒng)之間、與通信系統(tǒng)之間的連接關(guān)系比較單一，因此，只將雷達系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)之間的接口部分納入研究范圍。而光電火控系統(tǒng)則是全新的，作為第一代自行式防空武器系統(tǒng)，其通信導(dǎo)航系統(tǒng)等也與以前大不相同，再加上全炮電氣控制系統(tǒng)等，這些分系統(tǒng)涉及單體多達30余個，信號耦合程度較深，是真正測試和故障診斷的難點，其光電火控系統(tǒng)原理如圖1所示。

鑒于火控系統(tǒng)的復(fù)雜性，不可能對每一個單體及其接口進行監(jiān)測。因此，在具體實施時，應(yīng)該選擇那些關(guān)鍵的、承上啟下的、能反應(yīng)單體級以上工作狀態(tài)的節(jié)點進行監(jiān)測。根據(jù)該火控系統(tǒng)采用多計算機分布式的技術(shù)特點，以系統(tǒng)中的專用計算機為主要監(jiān)測對象，通過它們之間的數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測獲取所需的信息，在此基礎(chǔ)上依據(jù)系統(tǒng)工作原理和這些節(jié)點之間的數(shù)值上的關(guān)聯(lián)關(guān)系，來判定某一分系統(tǒng)或者單體的實時工作情況[3]。圖2給出了選擇的主要監(jiān)測點的分布情況。

圖2 主要監(jiān)測點分布圖

由于單體之間的并行通信一般需要10路通道以上，數(shù)據(jù)傳送時還必須在相應(yīng)時鐘控制下進行，所以對并行通信信號的測試至少需要11路，如果是雙向通信則需要20多路?？紤]到多點測試的必要性，所需路數(shù)還將成倍增加。一般而言，單路雙向測試可滿足大多數(shù)情況，此時需要至少22路。多點測試則通過時分方式進行復(fù)用。通過對選取的系統(tǒng)中主要監(jiān)測點接口信號的分析可知，主要單體之間的接口信號均為并行通信信號，如下頁表1所示。

狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容是對穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)、火控計算機系統(tǒng)和火炮隨動系統(tǒng)等主要子系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)控；對火控計算機、穩(wěn)定跟蹤計算機、車體信息處理主機、隨動控制箱、激光測距機、電視跟蹤器等主要單體通信信號進行監(jiān)控和測試[4]。

表1 部分主要單體待測信號表

2 監(jiān)測系統(tǒng)及信號測試接口設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作模式

整個狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，包括一個主監(jiān)測模塊和若干個單體監(jiān)測模塊，單體監(jiān)測模塊可根據(jù)需要增減。各個單體監(jiān)測模塊硬件和軟件完全相同，都能完成數(shù)據(jù)采集與處理、報警、狀態(tài)顯示等功能，不同的是由于各單體的信號在信號特征數(shù)據(jù)庫中的特征信息不同，所以由軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫采用不同的采集方法。各單體監(jiān)測模塊安裝在自行高炮上，無間隙監(jiān)測自行高炮火控系統(tǒng)各單體。主監(jiān)測模塊為一臺裝有監(jiān)測軟件的筆記本電腦，以串口方式與各單體監(jiān)測模塊連接。單體監(jiān)測模塊可獨立采集數(shù)據(jù)并進行簡單的處理，發(fā)出故障報警，所有單體監(jiān)測模塊各自構(gòu)成小型監(jiān)測系統(tǒng)。單體監(jiān)測模塊也可在主監(jiān)測模塊的調(diào)度下進行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)上傳給主監(jiān)測模塊，這時單體監(jiān)測模塊變成了整個大監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，相當于整個監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。單體監(jiān)測模塊在主監(jiān)測模塊調(diào)度下工作時，主監(jiān)測模塊所調(diào)度的單體監(jiān)測模塊的數(shù)量可由主監(jiān)測模塊根據(jù)需要決定，未被調(diào)度的單體監(jiān)測模塊仍自行工作[5]。監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其工作模式可以分為以下3種：

2.1.1 監(jiān)測模塊單獨工作

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

監(jiān)測模塊可連接于需要監(jiān)測的部位，無論靜止還是運動狀態(tài)，都進行實時連續(xù)監(jiān)測。一旦發(fā)現(xiàn)異常，即發(fā)出報警信息，并給出詳細的出錯信息。在單獨工作時，應(yīng)同時上報各種信息，只不過此時中心服務(wù)器（主監(jiān)測模塊）不工作。這種情況適合平時作戰(zhàn)、訓(xùn)練時使用。

2.2.2 靜止狀態(tài)下全系統(tǒng)監(jiān)測

炮車處于靜止狀態(tài)時，對火控系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行全面監(jiān)測，采用多點同時監(jiān)測的手段實施，能對火控系統(tǒng)工作過程中的各個環(huán)節(jié)進行詳細監(jiān)測和分析。彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)靜止狀態(tài)下進行的各種靜態(tài)和動態(tài)監(jiān)測，適用于日常操作訓(xùn)練、裝備技術(shù)狀態(tài)檢查、故障檢測與診斷等。

2.2.3 運動狀態(tài)下的全系統(tǒng)監(jiān)測

在炮車行進過程中，主要限于關(guān)鍵部位狀態(tài)監(jiān)測，主要包括目標跟蹤狀態(tài)監(jiān)測、火控計算機諸元解算過程監(jiān)測、隨動系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測、導(dǎo)航系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測等。此時監(jiān)測的主要目的是反映裝備的整體工作狀況，及時發(fā)現(xiàn)異?；蚬收?。采用分布式、小型監(jiān)測裝置進行，提供狀態(tài)顯示和報警功能。

2.2 測試接口設(shè)計

對于系統(tǒng)級和分系統(tǒng)級測試而言，主要分為性能測試和故障隔離測試。性能測試的目的是對整個火控系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能進行測試，是基于系統(tǒng)完好、工作正常條件下的測試，因此，測試點不需要太多，只要能滿足需要即可。但是這些測試點必須同時進行采集，以保證數(shù)據(jù)的同時性。這里選擇了電視跟蹤目標數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)、火控解算數(shù)據(jù)、隨動控制信息、炮塔位置反饋信息。故障隔離測試時需要測試的數(shù)據(jù)更多，但是不一定非要同時測試，可以一次測試幾個節(jié)點，具體視故障診斷的需要而定。

采用“信號分組，數(shù)據(jù)優(yōu)先”的原則進行設(shè)計。對于實時性要求高的、需要同時采集的數(shù)據(jù)（目標現(xiàn)在點、解算諸元、激光距離等）分作一組，利用觸發(fā)方式優(yōu)先采集。為了減小高速采集時的數(shù)據(jù)量，配合火控系統(tǒng)固有的數(shù)據(jù)傳輸時序控制采集時長，并根據(jù)采集對象的不同選擇相應(yīng)的觸發(fā)信號和基準信號。對于其余的狀態(tài)信號等分為第2組，利用上述采集的間隙通過連續(xù)采集方式進行采集。這些信號大多用來進行裝備工作狀態(tài)、信號是否正常等的判斷（從而便于進行單體間故障隔離）[6]。

此外，為了保持數(shù)字采集板的工作穩(wěn)定性，所有時序控制邏輯需要的信號均由外部產(chǎn)生，避免自身相互控制可能出現(xiàn)的競爭沖突。

圖4 并行信號多點同時測試原理框圖

圖4是對跟蹤計算機輸出的目標現(xiàn)在點、激光測距機輸出的目標距離、火控解算輸出的射擊諸元和隨動高低、方位受信儀輸出的模擬驅(qū)動信號進行同時采集的原理框圖[7]。在需要對其他節(jié)點同時采集時，原理相同，只需對FPGA矩陣開關(guān)等重新配置即可。

3 測試模塊的應(yīng)用

通過并行通行信號在線測試模塊可以實現(xiàn)火控系統(tǒng)的監(jiān)測點的連續(xù)數(shù)據(jù)采集與分析，在此基礎(chǔ)上就可以進行系統(tǒng)的性能測試和技術(shù)狀態(tài)分析。

以火控計算機動態(tài)性能測試為例。

模擬條件下的動態(tài)性能檢測分為以下幾步：

1）將測試模塊與各主要單體對應(yīng)連接，如圖5所示。

2）炮車上，將火控控制面板上的“工作狀態(tài)”開關(guān)置于“動態(tài)”位置，“工作方式”開關(guān)置于“主方式”位置，“戰(zhàn)斗方式”開關(guān)置于“停止”位置，“火控機模擬/全系統(tǒng)模擬”開關(guān)置于“全系統(tǒng)模擬”位置，“電視/紅外”開關(guān)置于“紅外”位置，接通目標模擬裝置的電源以及相應(yīng)開關(guān)，啟動火炮隨動系統(tǒng)。

3）火控計算機內(nèi)裝置有6條典型航路和1條實際航路，在完成上述準備工作后，火控控制面板上的“航路選擇”開關(guān)依次轉(zhuǎn)至1～7位置，即與上述航路相對，一般只檢查6條典型航路中的幾條就可以了。

4）在炮車上，按下鍵盤顯示器上的“復(fù)位”鍵，電視顯示器上的模擬目標按照所選航路運動，炮手即可截獲半自動跟蹤目標，然后左腳踏下“半自動-自動”轉(zhuǎn)換踏板轉(zhuǎn)為自動跟蹤目標，電視跟蹤現(xiàn)在點，火炮對準提前點，直到目標過航后，一個航路結(jié)束。

5）測試模塊與炮車協(xié)同操作，在動態(tài)模擬航路開始運行時，測試模塊采集數(shù)據(jù)、記錄、數(shù)據(jù)處理。在一個模擬航路結(jié)束后讀取動態(tài)解題值，并與動態(tài)解題標準值相比較。

6）如果需要錄取跟蹤圖像，可啟動錄像機和電視機。

圖5 動態(tài)模擬精度測試連接圖

利用目標模擬裝置模擬目標航路數(shù)據(jù)，使火控系統(tǒng)工作在全系統(tǒng)模擬條件下。將事先設(shè)計好的標準航路數(shù)據(jù)，按照實裝接口信號格式和時序連續(xù)地灌入實裝中[8-11]。同時，利用設(shè)計好的并行通信信號在線測試模塊實時測試火控計算機的輸出射擊諸元信號。測試完畢后，將采集得到的連續(xù)射擊諸元數(shù)據(jù)與標準值進行對比分析，即可得出火控計算機的動態(tài)解算性能。

圖6 火控計算機動態(tài)性能測試結(jié)果分析圖

測試結(jié)果如圖6所示，圖6給出了測試數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)的對比曲線，并給出了各自的誤差情況，總的分析結(jié)果表明火控計算機的動態(tài)解題精度達到了系統(tǒng)的精度要求。圖6中，方位與高低解算與標準諸元基本吻合，體現(xiàn)了較高的解算精度。但是在高低諸元的解算之初，仍存在波動的狀態(tài)曲線，說明初始測量階段解算精度存在一定誤差。方位解算均方差與高低解算均方差為5.291，滿足測量誤差需求。

4 結(jié)論

本文以我軍現(xiàn)役某型自行高炮火控系統(tǒng)為對象，從裝備狀態(tài)監(jiān)測的實際需求出發(fā)，設(shè)計了并行通信信號采集模塊，實現(xiàn)了對多個節(jié)點信號的同時測試。主要內(nèi)容包括：1）課題研究背景及該型自行高炮火控系統(tǒng)分析；2）該型自行高炮火控系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計；3）并行信號的采集及分析。從一定程度上解決了該型自行高炮火控系統(tǒng)的精確監(jiān)測難題，具有一定的軍事應(yīng)用價值。