水下自主航行器半实物仿真系统设计与实现*

李 和

(中国科学院声学研究所,北京 100080)

0 引言

水下自主航行器是攻击潜艇、航母、水面舰艇、岸基设施的有力武器。作为一次性使用武器,水下自主航行器的航行性能品质至关重要。水下航行器实航试验是对其技术性能指标最可靠的考核手段,要想全面的检验水下航行器的性能必须进行大量的实航试验。但是由于受到试验经费、时间及其他条件的制约,试验次数是有限的。因此,凭借有限条次的实航试验所得出的结论其可信度通常是比较低的。为了减少在实际使用中的故障和损失,在水下航行器项目的指标论证、方案设计、设备研制、生产、试验、部队训练等全生命周期,均采用了仿真测试技术,对产品性能指标进行综合全面的考核[1]。目前,仿真技术已经成为水下航行器研制和实验中的先导技术、校验技术和分析技术。

1 总体设计

智能声制导水下航行器是水下自主航行器发展的主要方向之一,它由自导系统和控制系统组成,两大系统协调工作,完成对目标的搜索、捕获、跟踪和攻击。仿真系统可以在实验室环境条件下,对自导-控制系统的协调工作进行调试和考察。该系统主要包括回波信号的仿真、水声环境仿真、水下航行器流体动力仿真、传感器仿真、水下航行器和目标的运动学仿真等。通过模拟水下航行器实航时自导、控制系统工作环境,考察自导系统和自导-控制两大系统的联合工作状态,避免相互产生反馈式交联,并分析弹道的稳定性。

仿真系统采用机械对接的办法传递水下环境和目标数据[2]。硬件包括目标模拟计算机、控制仿真计算机、弹道显示计算机、显控计算机、声耦合对接装置(对接阵)、PCI数据输出卡、D/A 转换设备、施矩器、力矩D/A和负载模拟器。为了在湖海试验中仿真设备便于随产品转移和使用,其中的施矩器、力矩D/A、负载模拟器可以用仿真模型代替,将模型软件加入到控制仿真计算机。在接收水下航行器控制系统的舵令后,控制仿真计算机产生传感器信号并反馈给水下航行器控制系统。

软件设计充分考虑系统实现的可能性,采用了自顶向下、模块化、结构化的设计方法,使程序结构清楚、可靠性好,便于编写和调试。从发射、搜索、捕获、跟踪到攻击目标,根据不同的水下环境和目标特征,水下航行器采用不同的搜索、捕获、跟踪和攻击策略,分支条件多,信号处理强度大,水下弹道复杂,为满足水下自主航行器的调试和测试需要,仿真系统提供文本格式的参数录入和参数自动记录的功能。仿真系统结构图如图1。

图1 仿真系统结构图

工作时将水下航行器实物(自导头和电子舱—自导控制系统)加入仿真回路,组成半实物的仿真系统。仿真过程中,目标模拟计算机用于产生水下环境和目标回波信号;控制仿真计算机根据水下航行器的流体动力特性,模拟水下航行器各种运动过程;弹道显示计算机用于显示水下航行器和目标在水下的运动状态;舵负载模拟机模拟水流对舵面的作用,根据控制机发出的操舵指令以及航行参数计算出舵轴所受负载力矩,经D/A转换后通过施矩器向舵轴施加力矩;显控计算机是仿真试验过程的控制枢纽,通过人机交互界面,设定仿真试验参数,监视和控制仿真进程,提供系统的时统、同步功能,显示航行器、目标及仿真系统的状态及参数。显控计算机、目标模拟计算机、控制计算机、弹道显示计算机和电子舱之间通过局域网进行通讯,传送数据[3]。

2 硬件系统设计

2.1 对接阵设计

目前水下航行器仿真信号输入主要采用三种方法:直接水声物理场法、数字信号导入法、机械对接法[2]。

综合考虑经费、时间和使用环境等因素,本系统采用机械对接法。通过将仿真系统的对接阵和水下航行器声基阵机械对接,传递水下航行器在水下接收到的噪声和目标信号。

对接阵由声对接换能器基阵和对接、定位、加压等机械装置组成。对接阵结构如图2所示。

图2 对接阵结构图

2.2 D/A转换装置设计

D/A转换装置基于 Windows2000操作系统和PCI总线,使用Visual C++作为开发平台,能够提供多通道同步连续水声阵列信号,单通道D/A变换器采样频率高达200kHz,采样精度14bit。

D/A转换装置包括PCI数据输出卡和D/A变换卡。

1)PCI数据输出卡

PCI数据输出卡是一个带有1536KB FIFO的通用PCI卡,在 Windows 2000操作系统下,它能以16MB/s的速度连续输出数据。图3是PCI数据输出卡的结构框图,整个PCI数据输出卡包括PCI接口、大容量FIFO存储器和驱动器3个模块。

图3 PCI数据输出卡结构框图

·PCI接口模块

PCI接口模块由 PCI9052和配置 EEPROM 93LC46组成。它可作为PCI总线的从设备,支持32位数据突发传输。

·存储器模块

由CPLD器件EPM7128SQC100和4片FIFO器件AL422B组成。4片AL422B通过宽度扩展成384K x 32的FIFO存储器。

2)D/A变换卡设计

D/A变换卡的结构框图如图 4所示,CPLD是D/A变换卡的控制核心,它接收PCI数据输出卡的数据,并以此为依据控制DA模块工作;D/A变换模块负责初始模拟信号生成,放大平滑滤波模块控制输出信号的量程并实现平滑滤波。

图4 D/A变换卡结构框图

·CPLD设计

CPLD是D/A板的控制核心,采用Altera公司的EPM7256SRC208-10,由它接收PCI数据输出卡的数据,并控制DA模块工作。

·D/A模块

D/A芯片选择TI公司的DAC2904,14bit精度,125MSBS采样率,在WRT信号的上升沿,D/A数据送入输入缓冲区,在WRT信号的下降沿,D/A数据送入输出缓冲区,在DA_CLK的上升沿,完成D/A变换。

·放大平滑滤波模块

DAC2904输出为-1～1V阶跃型波,通过放大平滑滤波模块调整成-5～+5V的平滑正弦波。

3 软件系统设计

仿真软件分别运行在仿真系统显控计算机、目标模拟计算机、控制计算机、弹道显示计算机上。软件设计中采用了自顶向下、模块化、结构化的设计方法[1],使程序结构清楚、可靠性好,便于编写和调试。仿真软件层次结构如下:

1)运行在显控计算机上的软件层次结构是:

第一层,初始化,建立显控计算机和目标模拟计算机、控制仿真计算机、弹道显示计算机之间的网络连接,此时仿真系统各台计算机上的应用软件启动,等待显控计算机的命令。

第二层,仿真测试的控制与管理模块,包括:

①仿真系统静态调试控制模块;

②仿真系统动态调试控制模块;

③仿真系统自导控制联合调试控制模块。

第三层,完成各功能仿真测试的子模块,包括:

①仿真参数及状态设定模块;

②网络数据发送模块;

③网络数据接收模块;

④仿真状态及参数显示模块;

⑤仿真结果数据存储模块;

⑥水下航行器和目标运动图形显示模块;

⑦计时与时钟显示模块。

2)运行在目标模拟计算机上的软件层次结构是:

第一层,初始化,完成D/A转换装置的设备初始化和启动,完成仿真计算基础数据准备,建立和显控计算机之间的网络连接,等待显控计算机的命令。

第二层,仿真测试的控制与管理模块,包括:

①仿真状态及参数读取模块;

②网络数据发送模块;

③网络数据接收模块;

④信号产生模块;

⑤信号发送模块;

⑥仿真状态及参数实时显示模块。

第三层,完成各功能仿真测试的子模块,包括:

①水下航行器自噪声信号仿真模块;

②目标噪声信号仿真模块;

③混响信号仿真模块;

④目标回波信号仿真模块;

⑤干扰信号仿真模块;

⑥多普勒速度计算模块。

3)运行在控制仿真计算机上的软件层次结构是:

第一层,初始化,启动航行监测模块,完成内测记录初始化,建立和显控计算机之间的网络连接,等待显控计算机的命令。

第二层,仿真测试的控制与管理模块,包括:

①仿真状态及参数读取模块;

②网络数据发送模块;

③网络数据接收模块;

④水下航行器流体力学模型仿真模块;

⑤传感器模型仿真模块;

⑥舵机模型仿真模块。

第三层,完成各功能仿真测试的子模块,包括:

①基元控制器计算模块;

②舵令组合计算模块;

③姿态解算计算模块;

④目标参数估算和最优控制计算模块;

⑤随机数产生函数模块;

⑥科学计算函数模块。

4)运行在弹道显示模拟计算机上的软件层次结构是:

第一层,初始化,设置弹道图形界面横纵坐标,建立和显控计算机之间的网络连接,等待显控计算机的命令。

第二层,仿真测试的控制与管理模块,包括:

①水下航行器和目标运动参数读取模块;

②水下航行器和目标运动参数图形显示模块;

③网络数据接收模块;

④仿真状态及参数实时显示模块;

⑤水下航行器和目标运动轨迹存储模块;

⑥水下航行器和目标运动轨迹回放模块。

第三层,完成各功能仿真测试的子模块,包括:

①图形背景设置模块;

②图形坐标单位设置模块;

③图形坐标尺度设置模块;

④图形绘制模块;

⑤图形擦除模块;

⑥图形左移模块;

⑦图形右移模块。

其中,显控计算机、目标模拟计算机、控制仿真计算机、弹道显示计算机使用Windows 2000操作系统,仿真软件在Microsoft Visual Studio 2005集成环境下研制开发。自导和控制软件使用VxWorks操作系统,上面运行的水下航行器软件在 TORNADO集成环境下研制开发。

图5显示的是整个仿真系统数据流图。

图5 仿真系统数据流图

4 系统特点

水下航行器半实物仿真系统是将水下航行器的工作环境、目标类型、海洋环境、人工干扰抽象成数学模型,并把水下航行器制导系统引入仿真回路中,采用适当的仿真算法,模拟航行器在水下寻的、跟踪和攻击目标的全过程,从而达到评价水下航行器制导系统的目的。本系统为水下航行器自导控制系统提供了调试和测试平台。

1)该系统模拟水下航行器自噪声、目标噪声、体积混响、海面混响、海底混响、目标回波信号、干扰信号,软件功能完善。

2)该系统模拟水下环境和目标特征,具备仿真多亮点目标的功能。

3)该系统综合平衡仿真模型的精度要求和计算强度之间的矛盾,在满足水下航行器仿真精度的前提下,实现了实时仿真。

4)该系统具有友好的图形化用户界面,输入方便,输出清晰,仿真结果可以根据用户需要进行存储和回放。

5)该系统结构紧凑,功能完备,使用方便。

6)该系统使用的对接阵装置为自主研发,在声学性能上具有工作频带宽、阵元耦合小、阵元之间相位和幅度一致性好的特点。

7)该系统的D/A转换装置能够完成单通道每秒200kHz的数字-模拟信号转换,多通道数据同步转换,信号连续流畅,保证了声基阵接收信号的品质。

5 结论

文中介绍的水下航行器制导半实物仿真系统已成功地运用于某型水下航行器的实验室调试和湖海试验。试验证明该仿真系统总体方案设计合理先进,操作灵活方便,仿真精度高,系统工作稳定可靠,具有良好的经济效益。

[1]康凤举.现代仿真技术与应用[M].北京:国防工业出版社,2003.

[2]王恒霖,曹建国.仿真系统的设计与应用[M].北京:科学出版社,2003.

[3]康凤举,何红军,李皓,等.水下航行器系统分布交互仿真技术研究[J].系统仿真学报,2001,13(2):150-152.