何 博，殷志臣，婁文忠，馮恒振

(1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081;2.陸軍研究院通用裝備研究所，北京 102202)

0 引言

單兵巡飛彈是一種可以實(shí)現(xiàn)多模式發(fā)射及投放的武器系統(tǒng)，具有情報(bào)偵察、目標(biāo)指示、信息中繼、區(qū)域封控、精確打擊和毀傷評(píng)估等特征[1-4]。作為一種小型高智能武器系統(tǒng)，引起了美國(guó)、俄羅斯、以色列、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的廣泛關(guān)注，先后加入了單兵巡飛彈的發(fā)展行列。單兵巡飛彈的測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)主要是更小的體積空間，識(shí)別更弱的彈道環(huán)境和在與高度信息交互的過(guò)程中可靠地感知彈道環(huán)境。一般單兵巡飛彈的體積較小，這就要求巡飛彈藥彈道環(huán)境感知系統(tǒng)所占體積盡可能小[5-6]。單兵巡飛彈整個(gè)彈道環(huán)境微弱，其“弱”量級(jí)表現(xiàn)為最大過(guò)載為百g量級(jí)，且持續(xù)時(shí)間短暫，為ms量級(jí)，彈體全程不旋轉(zhuǎn)，故這種處于弱環(huán)境力的彈藥測(cè)試研制過(guò)程中，對(duì)于彈道環(huán)境的感知變得尤為重要。必須通過(guò)感知微弱環(huán)境力的變化實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)的可靠順序解除[7-9]，故提高彈道環(huán)境檢測(cè)精度成為單兵巡飛彈測(cè)試研制過(guò)程中的重要組成部分[10-11]。國(guó)內(nèi)外對(duì)此展開了技術(shù)研究和型號(hào)研制，以美國(guó)“彈簧刀”單兵巡飛彈為代表。俄羅斯、德國(guó)等國(guó)也對(duì)單兵巡飛彈進(jìn)行了大量研究，并服役于作戰(zhàn)部隊(duì)，通過(guò)不斷地研究更新，實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)以及對(duì)目標(biāo)的精確打擊和高效毀傷，但是彈道環(huán)境感知精度不高[12-14]。我國(guó)的單兵巡飛彈研制起步晚，技術(shù)力量主要集中于巡航時(shí)間、控制算法和毀傷效能[15-18]，并且用于巡飛彈安全解除保險(xiǎn)的弱環(huán)境力感知系統(tǒng)研究滯后。

針對(duì)單兵巡飛彈具有弱彈道環(huán)境的特點(diǎn)，無(wú)法根據(jù)劇烈環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)各級(jí)保險(xiǎn)有效解除的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了用于單兵巡飛彈微弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)。

1 弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單兵巡飛彈藥彈道環(huán)境感知系統(tǒng)由環(huán)境感知模塊和高可靠存儲(chǔ)模塊組成。

1.1 環(huán)境感知模塊設(shè)計(jì)

智能感知發(fā)射環(huán)境模塊用來(lái)感知彈道力學(xué)環(huán)境。本模塊由兩支MEMS加速度傳感器組成，采樣周期為200 Hz，芯片尺寸為5 mm×3 mm×1 mm，用于可靠感知發(fā)射階段加速度過(guò)載。圖1為環(huán)境感知模塊電路設(shè)計(jì)。

圖1 環(huán)境感知模塊電路Fig.1 Environment sensing module circuit

1.2 高可靠存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)單兵巡飛彈的彈道飛行環(huán)境，設(shè)計(jì)了具有高可靠性的環(huán)境過(guò)載存儲(chǔ)系統(tǒng)，以防止發(fā)生飛行過(guò)程中數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。高可靠存儲(chǔ)模塊控制電路如圖2所示，采用高可靠非易失性存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)彈道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，芯片尺寸為5 mm×5 mm×2.5 mm。

圖2 高可靠存儲(chǔ)模塊電路Fig.2 Highly reliable memory module circuit

2 無(wú)信息交互下弱環(huán)境感知試驗(yàn)

無(wú)信息交互即彈載計(jì)算機(jī)和引戰(zhàn)系統(tǒng)無(wú)持續(xù)相互通信(詢問(wèn)狀態(tài)和反饋狀態(tài))，僅測(cè)試感知系統(tǒng)對(duì)微弱環(huán)境力的感知精度和感知、存儲(chǔ)可靠性。

2.1 離心過(guò)載試驗(yàn)

地面過(guò)載測(cè)試系統(tǒng)搭建在離心環(huán)境下，以模擬單兵巡飛彈的整個(gè)彈道環(huán)境。為了完整地模擬飛控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了模擬飛控上位機(jī)平臺(tái)，主要功能包括：系統(tǒng)上電后發(fā)送狀態(tài)自檢指令、獲取當(dāng)前狀態(tài)、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和輸出離心過(guò)載。

地面全系統(tǒng)模擬試驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)組成為：測(cè)試樣機(jī)、模擬主控、離心試驗(yàn)控制平臺(tái)(如圖3所示)、離心試驗(yàn)系統(tǒng)(如圖4所示)。

圖3 離心試驗(yàn)控制平臺(tái)Fig.3 Centrifugal test control platform

圖4 離心試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Centrifugal test system

試驗(yàn)流程如下：

1) 系統(tǒng)上電，離心測(cè)試控制端向測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送采集過(guò)載信息指令，測(cè)試系統(tǒng)向控制端反饋接收到指令狀態(tài)，并標(biāo)記相應(yīng)標(biāo)志位；

2) 離心試驗(yàn)設(shè)置，設(shè)置離心加速度為50～180g，梯度為10g，每個(gè)梯度持續(xù)時(shí)間10 s；

3) 離心旋轉(zhuǎn)開始，高可靠非易失性存儲(chǔ)芯片響應(yīng)過(guò)載信息存儲(chǔ)指令，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)離心過(guò)載信息，測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)串口通信方式將實(shí)時(shí)感知的過(guò)載信息輸出到離心試驗(yàn)控制平臺(tái)。

控制端通過(guò)通信接口將接收到的過(guò)載信息實(shí)時(shí)打印，測(cè)試得到：系統(tǒng)控制端接收到的離心過(guò)載值與時(shí)間關(guān)系如圖5(a)所示；高可靠非易失性存儲(chǔ)芯片采集的離心過(guò)載值與時(shí)間關(guān)系如圖5(b)所示。

圖5 離心過(guò)載隨時(shí)間變化Fig.5 Centrifugal overload vs. time

由圖5可以得到，系統(tǒng)控制端接收的加速度信息與高可靠非易失性存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)的信息保持一致，測(cè)試時(shí)間為425 s，兩路信號(hào)采集樣本303 571個(gè)，測(cè)試點(diǎn)加速度幅值誤差最高為0.3%，每一級(jí)離心過(guò)載階梯過(guò)載值和持續(xù)時(shí)間完整，控制端接收的離心過(guò)載數(shù)據(jù)和非易失性存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)的離心過(guò)載數(shù)據(jù)與離心機(jī)提供的過(guò)載信息吻合，證明了所設(shè)計(jì)的微小型弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)的精確性及存儲(chǔ)過(guò)載信息的可靠性。

2.2 沖擊-離心過(guò)載試驗(yàn)

為滿足高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，弱環(huán)境感知系統(tǒng)的生存可靠性及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，開展了沖擊-離心過(guò)載試驗(yàn)。

沖擊試驗(yàn)裝置如圖6所示，利用馬歇特錘對(duì)測(cè)試樣機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，對(duì)感知系統(tǒng)施加的沖擊過(guò)載如圖7所示。

圖6 沖擊試驗(yàn)裝置Fig.6 Shock test device

圖7 馬歇特錘沖擊過(guò)載Fig.7 Shock overload of the Machete hammer

由圖7可知，感知系統(tǒng)經(jīng)歷了峰值達(dá)4 000g，持續(xù)時(shí)間為20 μs的沖擊過(guò)載。將經(jīng)歷高沖擊過(guò)載試驗(yàn)后的感知系統(tǒng)再次進(jìn)行離心過(guò)載試驗(yàn)，并同時(shí)通過(guò)控制端實(shí)時(shí)接收和高可靠非易失性芯片存儲(chǔ)兩種方式進(jìn)行感知微弱環(huán)境力變化，得到經(jīng)歷了高沖擊后的離心過(guò)載數(shù)據(jù)，如圖8所示。從圖8可以得到，系統(tǒng)控制端接收的加速度信息相比高可靠非易失性芯片存儲(chǔ)的信息有微小時(shí)間滯后，這是由于軟件的邏輯，在感知到離心過(guò)載后，先進(jìn)行存儲(chǔ)進(jìn)高可靠非易失性芯片，再進(jìn)行串口通信傳輸?shù)较到y(tǒng)控制端，導(dǎo)致了一定時(shí)間的滯后，但忽略時(shí)間的滯后，感知得到的離心過(guò)載信息是高度一致的，并且與離心機(jī)提供的過(guò)載信息吻合，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)，在經(jīng)歷高動(dòng)態(tài)環(huán)境的沖擊后，仍具有感知的高精度和感知、存儲(chǔ)的高可靠性。

圖8 沖擊后離心過(guò)載測(cè)試Fig.8 Centrifugal overload test after shock

3 高度信息交互下弱環(huán)境感知測(cè)試

在實(shí)際高智能的單兵巡飛彈中，彈載計(jì)算機(jī)時(shí)刻都在向引戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)送自檢指令，引戰(zhàn)系統(tǒng)收到自檢指令后，也必須立即向彈載計(jì)算機(jī)反饋?zhàn)陨淼臓顟B(tài)。即引戰(zhàn)系統(tǒng)的MCU每隔一段時(shí)間就會(huì)處理通信，而無(wú)法正常感知并存儲(chǔ)彈道環(huán)境，并且存儲(chǔ)進(jìn)芯片的過(guò)程也是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，在實(shí)際發(fā)射過(guò)載只有十多毫秒的時(shí)間窗里，很容易丟失環(huán)境信息，以至于無(wú)法完成引戰(zhàn)系統(tǒng)的解除保險(xiǎn)。

在通信無(wú)法改變的情況下，為了獲得更多的環(huán)境信息，將感知就存儲(chǔ)的邏輯變?yōu)楦兄捍鍹CU到統(tǒng)一存儲(chǔ)，在這樣的邏輯下，正常感知過(guò)載間隔為1 ms左右，能夠滿足在發(fā)射短時(shí)間窗里連續(xù)感知到發(fā)射過(guò)載閾值才能確定自身環(huán)境的需求。

在裝無(wú)人機(jī)載制導(dǎo)彈藥進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試試驗(yàn)前，利用模擬上位機(jī)以25 Hz的頻率一直向MCU發(fā)送詢問(wèn)指令，MCU接到指令后立即向模擬上位機(jī)進(jìn)行狀態(tài)反饋，在此高度信息交互的狀態(tài)下，進(jìn)行連續(xù)敲擊試驗(yàn)。 圖9為不同方位連續(xù)敲擊(敲擊5次)試驗(yàn)后，讀取高可靠非易失性芯片中存儲(chǔ)的三軸過(guò)載信息。從圖9(a)中可以看到，在X軸方向，有4個(gè)波峰，但還有最后一個(gè)波峰(約在4 365 ms處)并不明顯；從圖9(b)和圖9(c)中可以明顯看到敲擊連續(xù)5次敲擊得到的5個(gè)過(guò)載波峰?？梢钥吹?，每次敲擊峰值持續(xù)的時(shí)間為1.186 ms，是能夠可靠地感知并存儲(chǔ)到瞬態(tài)的沖擊過(guò)載。

圖9 連續(xù)敲擊測(cè)試三軸過(guò)載Fig.9 Continuous tapping test for triaxial overload

將弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)搭載到單兵巡飛彈進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)，無(wú)人機(jī)載彈藥的飛控計(jì)算機(jī)以25 Hz的頻率向感知系統(tǒng)的MCU連續(xù)發(fā)送狀態(tài)自檢指令。記錄開始的閾值設(shè)置為80g，即感知到的過(guò)載信息從80g后開始被MCU記錄，并在記錄結(jié)束后，統(tǒng)一發(fā)送到可靠非易失性芯片中存儲(chǔ)。

發(fā)射飛行試驗(yàn)結(jié)束，所得到的發(fā)射三軸發(fā)射過(guò)載曲線如圖10所示。

圖10 發(fā)射測(cè)試三軸過(guò)載Fig.10 Launch test triaxial overload

從圖10(a)和圖10(b)中看到，發(fā)射過(guò)程中，單兵巡飛彈有一定的振動(dòng)；從圖10(c)可以看到，系統(tǒng)感知到了相對(duì)其他兩軸更大的過(guò)載信號(hào)，所以Z軸為無(wú)人機(jī)載彈藥彈軸方向，在開始記錄后，過(guò)載在11.38 ms達(dá)到MEMS加速度芯片感知過(guò)載的閾值(200g)，在11.38 ms到22.06 ms時(shí)都達(dá)到或超過(guò)了200g的過(guò)載，共感知并存儲(chǔ)到了10次最大過(guò)載信息。從達(dá)到80g閾值開始存儲(chǔ)，到發(fā)射過(guò)載降至50g，共感知并存儲(chǔ)到了24個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(中間4～10 ms為一次通信中斷)。說(shuō)明所設(shè)計(jì)的微弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)在高度信息交互的環(huán)境下準(zhǔn)確且可靠地感知并存儲(chǔ)了微弱環(huán)境過(guò)載信息，并且適用于多次連續(xù)判斷是否達(dá)到解除保險(xiǎn)閾值過(guò)載，提高了引戰(zhàn)系統(tǒng)的安全可靠性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了用于單兵巡飛彈的微小型、高精度、高可靠的弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)中采用MEMS加速度傳感器和高可靠非易失性存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)微弱彈道環(huán)境的實(shí)時(shí)精確感知和實(shí)時(shí)可靠存儲(chǔ)。在無(wú)信息交互下，利用高速離心機(jī)進(jìn)行了地面功能模擬試驗(yàn)，利用馬歇特錘使整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)歷高動(dòng)態(tài)高過(guò)載沖擊后，再次離心測(cè)試，驗(yàn)證了感知系統(tǒng)準(zhǔn)確性及可靠性。最后與單兵巡飛彈聯(lián)合進(jìn)行了高度信息交互下的發(fā)射飛行測(cè)試，驗(yàn)證了感知系統(tǒng)在高智能的巡飛彈藥中，能夠準(zhǔn)確和可靠的感知過(guò)載，可以使單兵巡飛彈多次連續(xù)地判斷是否達(dá)到解除保險(xiǎn)閾值過(guò)載，提高了引戰(zhàn)系統(tǒng)的安全可靠性。