红外型空空导弹测试系统设计

李 玺, 刘 阳, 宇景斌, 卫晓娟

(中国空空导弹研究院, 河南洛阳 471009)

0 引言

空空导弹自20世纪40年代诞生以来,在空战中发挥的作用越来越重要[1]。但随着越来越多的战斗机、直升机红外抑制能力的增加,传统的红外型空空导弹探测能力受到较大抑制,探测距离大幅缩短[2]。为了能够对红外抑制目标进行有效打击,红外型空空导弹须具有射后截获功能,即当载机雷达探测并锁定目标后即可发射导弹对目标进行攻击,使红外型空空导弹不再受制于探测距离的限制,有效提高导弹作战使用效能,提高载机的作战生存率[3]。

针对具有射后截获功能的红外型空空导弹,文中设计了一套基于PXI总线的总体性能测试系统,充分利用PXI总线的扩展功能将PXI测试设备和测试用目标模拟器及数据链指令机组件连接,通过数据链指令机组件模拟载机雷达数据,较好的实现了导弹在挂机、发射和自主飞行过程中整个工作状态的探测、截获、制导、跟踪、引炸等各项性能指标的测试任务。

1 系统组成及工作原理

导弹总体性能测试系统由PXI测试设备和红外目标模拟器、引信目标模拟器和数据链指令机组件3个独立功能模块组成,系统组成原理如图1所示。

测试过程中,将导弹放置在测试车或试验台上,导弹制冷所需氮气由专用的气路保证。测试设备通过测试线缆与被测导弹连接,测试过程中导弹的工作电源由专用的测试电源系统保证;导弹的供电过程以及导弹数字总线信息的传递,弹上信号的采集由测试设备通过测试线缆实时控制。3个独立功能附件通过通用串行总线与PXI测试设备连接,通过总线信息的数据交换,共同完成对导弹工作全过程的实时测试任务。其中红外目标模拟器将导弹攻击目标的位置信息实时传送给测试系统,并通过测试系统数字总线下发给导弹,供导弹控制系统在挂机状态下获取目标参数;数据链指令机组件将测试系统给出的目标位置信息转换为射频信号实时发送给弹上数据链,全程帮助导弹修正目标参数;引信目标模拟器在导弹自主飞行过程中,通过测试设备控制模拟器光路通断,模拟引信与目标交汇,使导弹产生引炸信号。

2 测试系统硬件设计

2.1 PXI测试设备

PXI测试设备主要由两部分组成,一个是PXI控制计算机(含各种PXI功能板卡),一个是各种采集信号的接口适配器[4](即信号调理单元)。这两部分均为独立机箱设计,两个机箱由线缆连接,接口适配器直接与被测产品连接,其原理框图如图2所示。

PXI测试设备通过控制计算机控制各种功能板卡实现了对导弹供电时序控制以及弹上各种数字量、模拟量以及各种总线任务信息的发送、接收。其中PXI机箱选用NI公司PXI-1042机箱,具有8个PXI扩展槽,最大系统带宽132 MB/s,可满足导弹测试任务需要;主控计算机选用NI公司PXI-8115主控器,测试时序的控制和所有端口采集的数据及各种总线信息要送入PXI-8115控制器进行分析和处理;采用NI PXI-6254多功能板卡实现弹内模拟量采集和数字量输入输出控制,PXI-6254多功能板卡含有单端32路A/D采集通道和48路输入输出双向DIO,板卡资源丰富,可满足弹上所有模拟量采集和数字量控制;针对弹上飞行任务信息的发送、接收选用NI PXI429-3U-4板卡,该板卡含有4路ARINC429通道,每路包含2发2收,满足导弹及其武器系统测试使用;3个独立功能模块通过通用串行总线与PXI测试系统连接,选用NI PXI-8431/2两端口RS422/RS485板卡,其具有可选的4线与2线收发器模式,适用于全双工和半双工通信,满足PXI测试设备与红外目标模拟器和数据链指令机组件的连接通信;另外,引信目标模拟器与PXI测试设备的连接选用PXI-8115控制器上的RS232串口实现。

信号调理单元是PXI测试系统与导弹连接的桥梁,其主要功能是将导弹输出的信号调理、转换后,成为PXI控制计算机可以直接采集、处理的信号。

2.2 红外目标模拟器

红外目标模拟器采用头罩式结构,主要由控制系统和光机系统两部分构成。控制系统主要包含微控器及其外设、电源等;光机系统主要由红外光学系统和电机部件及其机械、电气接口组成,两者之间通过线缆连接,能够进行相应的系统供电及控制信号传输,红外目标模拟器原理如图3所示。

使用时,模拟器套在导弹头部,导弹可以稳定截获目标,控制系统控制目标进行往返、达位运动,对导弹跟踪性能进行验证。为了导弹射后截获功能的实现,通过RS485总线将目标位置信息实时传送给测试系统,测试系统转换为总线任务信息和数据链指令机信息分别下发给导弹控制系统和数据链组件进行分析处理。

2.3 数据链指令机组件

数据链指令机组件包括数字信号处理电路、数-模转换电路、正交混频电路、电源变换、接口电路等部分,原理如图4所示。

测试设备模拟载机下发的制导信息通过RS422总线传送给数据链指令机组件,指令机组件接收到制导信息后,以帧周期为时间间隔,按固定格式组帧后用约定的加密方法对数据进行加密。加密后的数据经RS编码、直接序列扩频后进行MSK调制。调制信号经过滤波、数-模转换,由正交混频电路上变频至射频输出供产品测试使用。

2.4 引信目标模拟器

引信目标模拟器主要用于模拟导弹与目标的交汇情况,构成导弹引炸条件,通过检测引信引炸信号输出,判断导弹引信引炸功能是否正常。其原理如图5所示,主要由引信夹持机构、导光光缆、六路光接收模块、六路光发射模块、电源模块、控制模块和通讯模块组成。

引信目标模拟器通过RS232总线与PXI测试设备连接,测试过程中,通过程序设定各个象限光开关的导通时序,模拟引信与目标的交汇情况,构成引信引炸条件,从而对导弹的引炸功能进行测试。

3 测试系统软件设计

测控软件主要用来完成产品的测试流程控制、操作记录管理、数据采集、数据分析、数据显示、后期数据的处理等功能。能够对产品及其系统的工作时序以及测试方式进行控制,是整个测试系统的核心控制部分,同时还提供友好的人机交互界面,方便测试人员使用。

3.1 开发环境和运行平台

测试系统软件运行在Windows XP操作平台下,使用LabWindows/CVI开发工具进行开发调试。LabWindows/CVI是NI公司推出的虚拟仪器开发平台,基于ANSI C的集成开发环境,适用于测试系统、控制系统及信号的分析与处理并提供了简单易用的编程环境[5]。由于它主要针对工控领域,使得该工具在构建大型分布式测试系统时,开发迅速、执行效率高,易于升级且节约成本。

3.2 软件结构设计

由于PXI测试系统需要操作各种功能板卡和外围设备,为了保证系统可靠性,提高控制效率,软件系统采用分层次的模块化设计[6],具体软件结构如图6所示。

整个测控软件分为3个层次,控制管理层、测试功能层以及硬件驱动层。控制管理层主要负责整个测控软件的流程控制及人机交互等任务,主要包括登陆权限、记录管理、调试功能和校准功能等模块;测控功能层主要负责整个测试流程的控制,按照导弹工作时序完成电源控制及各类数据信号通道的采集、发送、管理、分析及显示等,并对采集的数据进行实时监测和分析,对误操作及状态异常给出报警提示,主要包括各个测试功能模块及测试流程控制、通讯设置、429总线解析、数据处理及事后处理等模块;硬件驱动层主要负责对设备各类硬件和板卡进行封装,为测试功能层提供接口完成各类信号的采集和发生,主要由板卡驱动模块完成。

3.3 测试流程

测试系统软件工作流程如图7所示。

测试开始时,先对测试设备进行自检,如接地电阻、供电电压、设备准备等应符合要求,设备自检通过后,方可对产品进行上电测试。根据导弹测试流程,设置好相应的工作参数,待测试完成后对导弹工作状态及测试数据进行分析,并根据分析结果给出测试报告。同时,为了防止在测试过程中对测试人员、被测产品及设备造成伤害,在软件开发过程中,还加入了误操作判断、死循环检测、电压电流实时监测、过压过流保护等安全性设计。

4 试验研究

通过多轮产品联试证明,设计的测试系统能够对产品的总体性能进行系统、全面的考核。在联试过程中及时发现了产品设计中的不合理因素,提出更改要求并再次验证;发现了多个产品故障,最终都得到了定位,查清了故障原因,且目前还没有误检的情况发生;系统测试能够检查出产品的总体技术指标是否满足设计要求，对组件的主要技术指标能同样进行检查,将故障定位到组件级,大幅度的节省了测试时间,提高了测试效率。

5 结论

文中设计了一套基于PXI总线的测试设备,并通过通用串行总线将其他功能组件与测试设备连接,构成了一套完整的空空导弹测试系统,实现了对具有射后截获功能的红外型空空导弹的总体性能测试工作。该系统可对导弹的整个工作时序进行试验验证,检测信号基本涵盖了导弹工作过程中的全部特征信号,测试结果反映了导弹真实的工作状态,完成了导弹研制阶段各项试验验证工作。同时系统结构合理、标准统一,加之体积小、重量轻,以及使用了模块化的设计方法,更新、维护方便,具有很好的经济效益和应用前景。

参考文献:

[1] 樊会涛, 崔颢, 天光. 空空导弹70年发展综述 [J]. 航空兵器, 2016(1): 3-12.

[2] 武振波, 武哲. 武装直升机红外隐身系统研究 [J]. 北京航空航天大学学报, 2003, 29(7): 588-592.

[3] 樊会涛. 空战制胜“四先”原则 [J]. 航空兵器, 2013(1): 3-7.

[4] 李玺, 李宏伟, 曹军明, 等. 基于PXI总线的某型空空导弹总体性能测试系统设计 [J]. 计算机测量与控制, 2008, 16(12): 1897-1899.

[5] 王建新, 隋美丽. LabWindows/CVI虚拟仪器测试技术及工程应用 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2011: 3-5.

[6] 万雪飞, 张有为. 模块化软件开发的标准化内涵和优势分析 [J]. 信息技术与标准化, 2006(3): 38-41.