舰炮火控设备模拟与测试系统的设计＊

吴小强

（海军驻连云港七一六所军事代表室 连云港 222061）

1 引言

随着现代信息技术的高速发展以及军用和民用领域对仿真技术的迫切需求，特别是在军用领域，仿真技术已成为武器系统研制与试验中的先导技术、检验技术和分析技术，被应用到武器系统的全生命周期，包括论证、设计、研制、定型测试验收以及装备后的模拟训练过程中。在舰炮武器系统发展的过程中，针对其生命周期不同阶段的仿真需求研制出了多种仿真测试系统以及模拟训练设备，仿真测试系统可以实现火控设备的测试功能，但不具备模拟训练功能，而模拟训练设备由于设备精密、造价昂贵等因素，除了实际装备和设备研制单位的原型设备外，没有实际器材可供靶场试验人员进行训练和研究。

根据某靶场对某型舰炮火控设备进行测试和对火控设备操作手进行训练的需求，本文提出一种舰炮火控设备模拟与测试系统建设方案，在采用商用计算机和操作系统的条件下，搭建了一个实时模拟测试平台，为火控设备测试提供仿真战场环境信息及火控设备外部驱动信息，并对火控设备的性能指标进行评估；同时从设备功能、操作流程、人机交互、界面显示等方面对火控设备进行高逼真度模拟，提高操作手训练的沉浸感和真实感。系统已成功研制，应用结果表明该系统能够较好地满足靶场的定型试验及训练需求。

2 舰炮火控设备模拟与测试系统的设计

2.1 系统组成

为完成舰炮火控设备的模拟与测试两大任务，舰炮火控设备模拟与测试系统要求具备战场环境仿真能力、火控设备外围信息仿真能力、数据录取和评估能力以及火控设备模拟能力。采用模块化设计思想可将系统划分为综合控制台与接口机柜两部分。接口机柜包括战情仿真单元、舰炮系统信息仿真单元和数据采集处理单元，主要完成火控设备测试功能；综合控制台包括任务计算机和人机接口计算机，主要完成火控设备模拟功能。舰炮火控设备模拟与测试系统组成如图1所示。

图1 舰炮火控设备模拟与测试系统组成图

2.1.1 战情仿真单元

战情仿真单元通过提供方便友好的人机界面，辅助用户设定战场初始态势、规划我舰及目标运动航路，能够模拟生成目标航路、我舰航路及姿态等信息，为火控设备测试提供所需的战场态势环境；并能控制系统进行初始化、运行和结束等操作以及根据真实目标的航路数据文件进行航路复现。

2.1.2 舰炮系统信息仿真单元

舰炮系统信息仿真单元具有跟踪雷达、光电、捷联设备和舰炮全数字仿真功能；能根据火控目标指数据和仿真目标的航路真值、我舰航路和姿态真值，解算输出跟踪雷达目标的跟踪数据、光电目标的跟踪数据，根据火控诸元数据仿真输出舰炮架位数据，根据己舰姿态真值解算输出捷联数据，并用解算出的数据驱动火控设备按作战过程工作。

2.1.3 数据采集处理单元

数据采集处理单元能对舰炮火控设备输出的网络数据进行监听、解析并记录成文件，能解算火控诸元真值、对火控诸元数据进行精度评估。

2.1.4 任务计算机

任务计算机能接收并处理目标指示数据，进行火力通道组织，给模拟跟踪雷达和模拟光电跟踪仪发送目标指示数据，可同时接收来自跟踪雷达和光电跟踪仪的目标跟踪数据，以及来自捷联垂直基准的我舰运动、姿态参数，计算目标运动要素，采用射表逼近和实时积分解弹道微分方程两种算法，求取射击诸元。

2.1.5 人机接口计算机

人机接口计算机主要完成人机交互功能，响应用户对跟踪球、触摸屏、数字键盘、扩展键盘及操纵杆的各种操作命令，完成综合图形和表页显示，对跟踪雷达、光电跟踪仪、舰炮、捷联垂直基准数据和状态进行显示。

2.2 系统工作方式

舰炮火控设备模拟与测试系统具有火控设备测试和火控设备模拟两种工作方式。

图2 舰炮火控设备模拟与测试系统工作流程图

在火控设备测试工作方式下，综合控制台不工作，接口机柜通过以太网与被试舰炮火控设备相连，战情仿真单元生成目标航路信息和己舰姿态、航路信息，并将模拟出的作战系统目指数据发送给被试舰炮火控设备，被试舰炮火控设备在战斗方式下工作，根据作战系统目指数据解算输出火控目指数据，并根据舰炮系统信息仿真单元输出的目标跟踪数据、捷联数据，计算输出火控诸元数据；数据采集处理单元采集舰炮火控设备输出数据，对火控设备的反应时间、输出诸元精度进行评估。

在火控设备模拟工作方式下，模拟测试系统的综合控制台和接口机柜自成体系，完成舰炮火控设备模拟功能；接口机柜战情仿真单元发送操控信息实现接口机柜内各计算机运行控制、战情信息模拟输出，舰炮系统信息仿真单元根据战情信息模拟发送情报目指数据、捷联数据，根据战情信息及火控目指数据模拟发送跟踪雷达目标跟踪数据、光电目标跟踪数据，根据火控诸元数据模拟发送火炮架位数据；火控设备操作手根据试验任务及操作流程对综合控制台的人机接口计算机进行各种操作，任务计算机根据捷联数据、跟踪雷达目标跟踪数据、光电目标跟踪数据解算输出火控诸元数据。

舰炮火控设备模拟与测试系统在两种工作方式下的工作流程如图2所示。

3 舰炮火控设备模拟与测试系统的主要关键技术

3.1 实时模拟测试平台技术

随着舰炮武器的发展，对火控设备模拟测试平台提出了很高的要求。一方面，要求模拟测试平台拥有完善的通用功能，例如具有强大图形显示功能、较强的硬件支持；另一方面，要求模拟测试平台具有硬实时特征，支持在较短的模拟周期内以最小的时延完成对目标系统的实时信息驱动，达到与VxWorks同级的实时处理效果，从而保证与火控设备的时间同步精度。采用Windows操作系统的商用计算机无疑具有前一特征，但由于其设计上的通用性考虑，是非实时的模拟测试平台，不能满足与VxWorks系统保持时间同步、数据及时通信的要求，模拟测试系统通过在Windows中嵌入实时扩展模块RTX来解决这个问题。

RTX是美国IntervalZero公司推出解决Windows强实时性的扩展模块。RTX为了在Windows操作系统下实现实时特征，充分利用Windows良好的可扩展体系结构增加了一个实时子系统，并修改和扩展了硬件抽象层—HAL（Hardware Abstract Layer）。RTX能满足一个实时操作系统所具备的多任务、基于优先级的抢占调度、快速灵活的任务间通信与同步、方便任务与中断之间的通信等特点。

基于Windows和RTX的特性，可采用以下方式构建舰炮火控设备模拟与测试系统的应用软件。将应用软件划分成两部分：实时进程（RTX进程）和非实时进程（Windows进程）。时间同步、模型解算、网络通信等实时性要求高的功能模块放到RTX进程里实现，界面显示、人机交互等允许有一些时延的功能模块放到Windows进程中；实时进程和非实时进程按系统运行机制，通过实时信号量和共享内存将两部分有机结合在一起。

3.2 舰炮火控设备高逼真度仿真技术

对舰炮火控设备的高逼真度仿真包括硬件和软件两方面。

为实现对舰炮火控设备的高逼真度模拟，提高训练的沉浸感和真实性，综合控制台参照实装火控台的设备组成及布局，同样由主显示器单元、副显示器单元、操控单元、电子机箱单元组成，其中操控单元包括跟踪球、操纵杆、数字小键盘、扩展键盘、可编程触摸键盘，电子机箱单元由两台商用计算机组成，分别作为任务计算机和人机接口计算机的主机，最大程度实现了与实装硬件设备的外观一致性。综合控制台的软件界面，完全参照实装火控设备显示界面的布局、风格进行设计，整个综合控制台的操控流程按照火控设备的实操过程来实施，真正实现与舰炮火控设备的高度一致性；也可将火控设备使用的核心功能软件，如火控解算模块和战术软件模块直接嵌入综合控制台的任务计算机软件，提高模拟火控设备数据精度及战术响应的逼真度。

3.3 跟踪传感器误差仿真技术

某型舰炮武器系统的主要特点是对超高速目标进行作战，数据频率高达100Hz，对跟踪器的仿真提出了更高要求。在传统的跟踪传感器仿真中，使用正态随机误差模型模拟传感器跟踪误差，模拟的跟踪数据统计特性较好，但时序特性与实际装备的差距较远，对火控设备进行模拟测试的意义不大；而单脉冲雷达模拟由于按照雷达工作机理完成建模，仿真过程复杂，其误差统计特性不易控制，且耗时量大，实时性无法保证。针对跟踪传感器探测数据误差特性，建立复合正态平稳随机误差模型，并通过对仿真结果的分析，选取合理模型系数，实现了更加符合装备传感器误差特性的仿真，达到了高频率实时条件下跟踪传感器高性能仿真要求。

3.3.1 正态平稳随机过程模型

正态平稳随机过程模拟数学模型：

误差ΔX（t），对应于距离、舷角、高低角，X分别为D、Q、ε。

数学期望：

相关函数：

测量误差的模拟：

3.3.2 实测数据的相关性分析

由于空中目标飞行速度快，跟踪传感器探测方位有限，所以单个航次的测量数据数量有限，分析过程中将同一类型目标的多个航次数据按顺序排列进行统一分析。首先考虑到不同航次的测量系统误差有较大差别，对每个航次误差数据进行预处理，每个航次误差点数据减去该航次的系统误差，得到0均值的误差序列数据；其次对两个航次相接处有选择地去掉部分点，保证前一航次最后一个点误差与后一航次第一个点误差之间没有大的跳变；最后对统一的误差序列进行相关性分析，计算相关系数ρ。

3.3.3 仿真及结果分析

以某跟踪雷达对无人机跟踪测量的舷角数据进行分析和仿真，按照其性能指标和相关性的统计结果进行“正态平稳”和“正态随机”两种方法仿真，实测误差与两种不同方法仿真误差的对比关系如图3所示。

图3 仿真结果对比

将仿真数据、实测数据分别进行系统误差、随机误差与相关性的统计对比，结果见表1，由此可见正态平稳仿真更加符合实际测量结果。

表1 两种方法仿真数据统计与实测结果比对表

4 结语

本文介绍了舰炮火控设备模拟与测试系统的组成及工作方式，阐述了系统设计中部分关键技术的解决方法。研制出的系统实现了火控设备测试和模拟两大功能，已成功应用于某型舰炮火控设备的定型试验，并用来对操作手进行日常训练，实践证明了系统设计的正确性。同时系统采用了通用的商用技术，经济、实用、可靠，方便未来针对新型舰炮武器系统进行适应性改造。

［1］戴自立，等.现代舰载作战系统［M］.北京：兵器工业出版社，1990.

［2］现代舰艇火控系统编写组.现代舰艇火控系统［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［3］程健庆.仿真建模技术在新型舰炮武器系统试验中的应用［J］.计算机仿真，2002，19（1）：54－58.

［4］韩建兴，等.舰炮武器系统仿真测试系统通用设计［C］／／中国造船工程学会电子技术学术委员会2006学术年会论文集.

［5］孙东彦，潘红华，徐明.某型舰炮火控系统建模与仿真［J］.火力与指挥控制，2006，31（12）：37－40.