2024年4月23日发(作者：闳卓)
火炮发射与控制学报
・
７Ｏ ・
ＪＯＵＲＮＡＩ ＯＦ ＧＵＮ ＬＡＵＮＣＨ ８Ｌ ＣＯＮＴＲＯ１ ２０１０年９月
某高炮车体姿态信息仿真模拟研究
董志华 ，程远增 ，付
（１．军械工程学院，河北石家庄
强 ，张海龙
０５０００３；２．北京理工大学，北京 １０００７２；３．清华大学，北京 １０００７２）
摘要：某自行高炮进行瞄准线和射击线稳定需进行车体姿态的测量，在车体停止情况下对装备火控系
统的检测离不开车体姿态信号的模拟。其姿态测量装置输出的姿态量是粗精结合的正余弦旋转变压器信号，
该信号可采用数模转换得到。通过直接数字频率合成技术（ＤＤＳ）产生正弦激励信号，以仿真方式采用地形
面匹配技术产生车体姿态信号数字量，用乘法型Ｄ／Ａ转换器实现激励信号和姿态信息的合成，得到满足正余
弦变化规律的车体姿态信号。
关键词：自动控制技术；数字一轴角转换；车体姿态；正余弦旋转变压器
中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—６５２４（２０１０）０３—００７０—０４
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｂｏｄｙｗｏｒｋ Ａｔｔｉｔｕｄｅ Ｉｎｆｏｒ’
ｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ａｎｔｉａｉｒｃｒａｆｔ Ｇｕｎ
ＤＯＮＧ Ｚｈｉ—ｈｕａ ，ＣＨＥＮＧ Ｙｕａｎ—ｚｅｎｇ ，ＦＵ Ｑｉａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｈａｉ—ｌｏｎｇ
（１．Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ￣
２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７２，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｍｉｎｇ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｒｉｎｇ ｌｉｎｅ ｉｎ ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ＡＡ ｇｕｎ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｂｏｄｙ—
ｗｏｒｋ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ ｂｏｄｙｗｏｒｋ ｉＳ ｍｏｔｉｏｎｌｅｓｓ，ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅ—
ｐｅｎｄｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｄｙｗｏｒｋ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｄａｔａ ｏｕｔｐｕｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ
ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗｅｒｅ ｓｉｎｅ—ｃｏｓｉｎｅ ｒｅｓｏｌｖｅｒ ｓｉｇｎａｌｓ，ａｎｄ ｔｈｅｙ ｃａｎ ｂｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｓｔｉｍｕ—
ｌｕｓ ｓｉｇｎａｌｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ ｂｏｄｙｗｏｒｋ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｎ—
ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗａｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｅｒｒａｉｎ ｍａｔｃｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｔＷＯ ｆｏｒｍｅｒ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ
ｒｅｑｕｉｒｅｄ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｃｑｕｉｒｅ ｂｏｄｙ—
ｗｏｒｋ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｔｈａｔ ｍｅｅｔ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｒｕｌｅ ｏｆ ｓｉｎｅ～ｃｏｓｉｎｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｄｉｇｉｔａｌ—ｓｈａｆｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｂｏｄｙｗｏｒｋ ａｔｔｉｔｕｄｅ；ｓｉｎｅ—ｃｏｓｉｎｅ ｒｅ—
ｓｏｌｖｅｒ
车体姿态测量装置是某自行高炮火控系统的
重要组成部分。它能实时地测量出自行高炮的车
体姿态信息（航向角、纵摇角和横摇角），并将姿态
信息送到车体信息处理系统，用于瞄准线和射击线
的稳定处理。为方便教学和训练，并逼真地模拟火
控系统的工作环境，需要模拟高炮火控系统各个单
体的功能。针对目前高炮火控模拟训练系统没有
考虑实战情况下炮车车体姿态变化对射击诸元的
影响，笔者提出了一种利用数模转换方式输出车体
姿态信息的方法。某自行高炮车体姿态信号是符
合一定要求的正余弦旋转变压器信号。系统总体
设计为：车体姿态信息采用仿真方法获得，经数字
轴角转换（ＤＲｃ）得到正余弦旋转变压器信号，即
车体姿态量。设计这样的系统既节约成本也解决
一
收稿日期：２０１０—０３—１５；修回日期：２０１０—０４—１５
作者简介：董志华（１９８７一），男，硕士研究生，主要从事火控指控与制导系统理论技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：５７６８２７０１１＠ｑｑ．ｔｏｍ
第３期 董志华，等：某高炮车体姿态信息仿真模拟研究 ・７１・
了场地的限制，解决了以往火控模拟系统未考虑车
体姿态对射击诸元影响的问题。
１ 系统结构设计
在某型高炮火控系统中，利用方位垂直基准仪
输出车体姿态信息（航向角Ｋ、纵摇角 和横摇角
），每一姿态分量用四路粗精结合的正余弦旋转变
压器信号表示，共输出１２路模拟信号。以下均以航
向角为例进行说明，在激磁电压Ｕ—Ｕｍ ｓｉｎ ｔ作
用下，输出的航向角姿态量信息的数学形式为：
ｆＵ １一Ｕ ｓｉｎ Ｋｉｓｉｎ叫ｔ
ｌＵ ２＝＝：Ｕｍ ｃｏｓ Ｋｊｓｉｎ∞ｔ …
ｌ Ｕｋ３一Ｕ ｓｉｎ Ｋ ｓｉｎ ｔ
ｌＵ ４一Ｕ。ｎａ ＣＯＳ Ｋ ｓｉｎ ｔ
式中：【， 为激磁电压幅值； 为激磁电压频率（４００
Ｈｚ）；Ｋ 为精轴角量；Ｋ 为粗轴角量。
数字～轴角转换就是将输出的数字角度量Ｋ、 、
分别变为正余弦旋转变压器信号形式的模拟量，
图１是航向角粗精分离后精轴角度数字一轴角转换
结构。
～
级
二级
仿
数
缓存
缓存
真 字
产
ＰＣ
接
数据
生
总到
信号
口
一
级
二级
姿 电
厂１缓存
缓存
态 路
Ｐ２Ｃ 一
信
模
锁存
二级
息 块
控制
缓存
缓存
图１数字一轴角转换结构
Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆｄｉｇｉｔａｌ－ｓｈａｆｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
系统主要由软件和硬件两部分组成：软件部分
实现车体姿态量的仿真；硬件部分实现姿态量信息
的数模转换。接口电路模块将姿态量仿真信息和
控制信号输出。
２硬件设计部分
２．１激磁电路设计
激磁电路的功能是产生４００ Ｈｚ的正弦电压信
号，作为Ｄ／Ａ转换时的参考信号。本装置中采用
数字频率合成技术（ＤＤＳ）产生正弦信号，原理图如
图２所示。它具有线路简单、频率精度高、工作稳
定可靠、易于实现和成本低等特点。
图２ ＤＤＳ原理图
Ｆｉｇ．２ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＤＤＳ
～
２．２ Ｄ／Ａ转换电路设计
本系统中选用１２位乘法型Ｄ／Ａ转换芯片
ＡＤ７５４１Ａ。该Ｄ／Ａ转换器有两种工作方式：单极
性输出和双极性输出。表１显示两种工作方式下
输入与输出的关系。
表１ ＡＤ７５４１Ａ输入输出关系
Ｔａｂ．１ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ＡＤ７５４１Ａ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ
１１１ １１１ １１１ １１１
Ｕ ｆ（４ ０９５／４ ０９６）一Ｕ ｆ（２ ０４７／２ ０４８）
１００ ０００ ０００ ００１
一
【 （２ ０４９／４ ０９６） 一 ｆ（１／２ ０４８）
ｌＯＯ ０００ ０００ ０００
一
Ｕ， ｆ（２ ０４８／４ ０９６）０
Ｏ１１ １１１ １１１ １１１
Ｕ （２ ０４７／４ ０９６） ｆ（１／２０４８）
０００ ０００ ０００ ００１
Ｕ （１／４ ０９６） Ｕ （２０４７／２０４８）
０００ ０００ ０００ ０００
０ Ｕｒ ｆ
本系统需选用双极性工作方式，图３所示为其
连接方式，实现四象限乘法。当以激磁信号作为参
考电压时，实现了对输入的调制。
图３双极性电路图
Ｆｉｇ．３ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆｂｉｐｏｌａｒ ｍｏｄｅ
２．３数据锁存电路
如图１所示，系统中接口电路以１２位二进制
形式分时输出经取正（余）弦值的数字量轴角，经两
级锁存器后送到Ｄ／Ａ转换器中。第１级实现数据的
锁存，第２级实现数据锁存和各路数据的同步更新。
～
・
７２ ・ 火炮发射与控制学报 ２０１０年９月
接口电路输出２４骼数据通道和７路控制信
号：数据通道由３个姿态量共用；７路控制信号中６
路分别控制第１级数据锁存，另一路实现第２级数
摇角 和横摇角 的计算公式为：
一ａ ｉｎ （２）
据同步更新：
口：ａｒｃｓｉｎ ＝二
．－Ｉ＿．．。●．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．１
（３）
式中：Ｌ 为Ａ到Ｃ点的距离；Ｌ加表示Ａ到Ｂ点的
３ 软件设计部分
３．１道路数据的产生和姿态量的仿真
目前，分形几何在地形仿真领域得到广泛应
用。从数据结构上来看，利用分形几何方法实现地
形仿真可分两大类：一类是基于随机分布数据点的
不规则三角形格网（ＴＩＮ）；另一类是基于规则分布
数据点的栅格网格（ＲｓＧ）。为减轻计算机运算负
担和实现时的简便，采用规则栅格生成地形数据。
首先进行三维空间建模，即世界坐标系０一ＸｙＨ，
如图４（ａ）所示。将平面ＯＸＹ均分成相同的方格，
并求取每个栅格的平面坐标，用二维数组存储各栅
格顶点坐标。利用随机法生成栅格各顶点的高度，
得到各栅格顶点三维坐标；采用双线性插值法得到
栅格内任意点的地形高度。这样就完成了地形数
据的计算，建立了地形数据库＿１ ］。
Ｄ
（ａ） （ｂ）
图４世界坐标系
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｗｏｒｌｄ
车体姿态量包括航向角、纵摇角、侧倾角。为
简化计算，选择履带上的４个支点构成的平面确定
车体的姿态量。如图４（ｂ）所示，空心点代表支点，
实心点代表车体中心。设定车体坐标系以前进方
向为Ｘ轴、横向为Ｙ轴、垂直车体平面向上为ｈ
轴Ｅｓ］。仿真系统中车体按预设轨迹和受方向键控制
运动，根据车体运动轨迹对其航向角和中心点坐标
进行修正，可得任一时刻车体的航向角Ｋ和中心点
坐标０，从而确定了４个支点在ｏＸｙ平面内的坐
标。根据地形数据又可求得４个支点的高度，从而得
到４个支点的坐标分别是Ａ（ｘ ，Ｙ。，ｈ ）、Ｂ（ｘ ，Ｙ。，
ｈ２）、Ｃ（ｘ３，Ｙ３，ｈ３）、Ｄ（ｘ４， ４，ｈ４）。按照比较对角线
的方法确定车体的支撑面，即确定４个支点中的一
个悬空点 ］。假定Ｄ为悬空点，则该时刻车体的纵
距离。
３．２ 姿态量的粗精分离
车体的姿态量由多极正余弦旋转变压器信号
确定，其特点是粗精比为１：１６。根据正余弦旋转变
压器的工作机制，得出粗精轴角分离的方法。以航
向角Ｋ为例，粗角度Ｋ 保持不变，而精角度Ｋｊ是
３６０除１６倍粗轴角度的余数嘲。
ｒ
Ｋ 一Ｋ
１Ｋｊ一［ ｔ（ ）］×３６。
３．３ 三角函数的扩展和取整
粗精分离后得到Ｋｃ、Ｋ，分别对其取正余弦值得：
ｒＫｃｓ—ｓｉｎ Ｋｃ
Ｊ
ｌ
Ｋｃ
Ｋ Ｊ 一ｓｉ
ｃ＿ｃ∞Ｋｃ
ｎ Ｋｊ
（５）
Ｉ Ｋｊ 一ＣＯＳ Ｋｊ
为提高精度，输入到Ｄ／Ａ转换器的必须是１２位二
进制整数，而经取正余弦值后，Ｋ。 、Ｋ 。、Ｋｊ 和Ｋｊ。的
取值范围为（一１，１）。需将这些量线性扩展到（Ｏ，
４ ０９５）后再取整，做到一一对应，对应关系为：
Ｙ一一 一一— （１ｌｚ一１）ｚ—ｌ （４）Ｌ４
式中：Ｘ∈（一１．１）；Ｙ∈（０，４ ０９５）。
４ 试 验
下面以航向角为例，说明数据传送方式。本系
统采用ＰＣＩ一７２９６数字Ｉ／Ｏ卡，其工作方式是每次
可以输出８位二进制数。因此，正余弦值分别需要
分两次传送，先是送低８位，然后将高４位的左
（右）边补４位０组合成８位二进制数，再进行传送。
图５所示为某一时刻车体航向角姿态量产生流程。
将模拟系统连接到炮车车体信息处理机。以
航向角为例进行实验，设计算机以１ Ｓ的间隔向模
拟系统中传送车体姿态量，经模拟系统ＤＲＣ处理
后，航向角以模拟量形式输入到车体信息处理机，
车体机将模拟姿态信息处理后实时显示出来。记
录仿真系统中输出的姿态角量和车体信息处理机
第３期 董志华，等：某高炮车体姿态信息仿真模拟研究 ・ ７３ ・
软
件
实
现
硬
件
实
现
图５ ＤＲＣ流程图
Ｆｉｇ．５ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆＤＲＣ
上显示的姿态量，如表２所示。
表２实验数据对比
Ｔａｂ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ
５ 结 论
按上述方法设计的车体姿态模拟系统，其输出
的正余弦旋转变压器信号接到车体信息处理系统
后，再经轴角一数字转换（ＲＤＣ）进行实时显示，与地
形道路仿真环境下的姿态量误差不大于０．０５。
（１６：１粗精结合系统），故该方法设计的模拟系统
满足要求，并在高炮火控模拟系统中得到应用。
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件方法［Ｊ］．自动化技术与应用，２００２，２１（４）：４７—４８．
ＨＵＡＮＧ Ｗｅｉ—ｑｕａｎ， ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ－ｍｉｎ． Ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｒｓｅ ａｎｄ ｆｉｎｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ａ
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Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００２，２１（４）：４７—４８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
2024年4月23日发(作者：闳卓)
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ＪＯＵＲＮＡＩ ＯＦ ＧＵＮ ＬＡＵＮＣＨ ８Ｌ ＣＯＮＴＲＯ１ ２０１０年９月
某高炮车体姿态信息仿真模拟研究
董志华 ，程远增 ，付
（１．军械工程学院，河北石家庄
强 ，张海龙
０５０００３；２．北京理工大学，北京 １０００７２；３．清华大学，北京 １０００７２）
摘要：某自行高炮进行瞄准线和射击线稳定需进行车体姿态的测量，在车体停止情况下对装备火控系
统的检测离不开车体姿态信号的模拟。其姿态测量装置输出的姿态量是粗精结合的正余弦旋转变压器信号，
该信号可采用数模转换得到。通过直接数字频率合成技术（ＤＤＳ）产生正弦激励信号，以仿真方式采用地形
面匹配技术产生车体姿态信号数字量，用乘法型Ｄ／Ａ转换器实现激励信号和姿态信息的合成，得到满足正余
弦变化规律的车体姿态信号。
关键词：自动控制技术；数字一轴角转换；车体姿态；正余弦旋转变压器
中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—６５２４（２０１０）０３—００７０—０４
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｂｏｄｙｗｏｒｋ Ａｔｔｉｔｕｄｅ Ｉｎｆｏｒ’
ｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ａｎｔｉａｉｒｃｒａｆｔ Ｇｕｎ
ＤＯＮＧ Ｚｈｉ—ｈｕａ ，ＣＨＥＮＧ Ｙｕａｎ—ｚｅｎｇ ，ＦＵ Ｑｉａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｈａｉ—ｌｏｎｇ
（１．Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ￣
２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７２，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｍｉｎｇ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｒｉｎｇ ｌｉｎｅ ｉｎ ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ＡＡ ｇｕｎ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｂｏｄｙ—
ｗｏｒｋ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ ｂｏｄｙｗｏｒｋ ｉＳ ｍｏｔｉｏｎｌｅｓｓ，ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅ—
ｐｅｎｄｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｄｙｗｏｒｋ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｄａｔａ ｏｕｔｐｕｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ
ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗｅｒｅ ｓｉｎｅ—ｃｏｓｉｎｅ ｒｅｓｏｌｖｅｒ ｓｉｇｎａｌｓ，ａｎｄ ｔｈｅｙ ｃａｎ ｂｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｓｔｉｍｕ—
ｌｕｓ ｓｉｇｎａｌｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ ｂｏｄｙｗｏｒｋ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｎ—
ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗａｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｅｒｒａｉｎ ｍａｔｃｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｔＷＯ ｆｏｒｍｅｒ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ
ｒｅｑｕｉｒｅｄ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｃｑｕｉｒｅ ｂｏｄｙ—
ｗｏｒｋ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｔｈａｔ ｍｅｅｔ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｒｕｌｅ ｏｆ ｓｉｎｅ～ｃｏｓｉｎｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｄｉｇｉｔａｌ—ｓｈａｆｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｂｏｄｙｗｏｒｋ ａｔｔｉｔｕｄｅ；ｓｉｎｅ—ｃｏｓｉｎｅ ｒｅ—
ｓｏｌｖｅｒ
车体姿态测量装置是某自行高炮火控系统的
重要组成部分。它能实时地测量出自行高炮的车
体姿态信息（航向角、纵摇角和横摇角），并将姿态
信息送到车体信息处理系统，用于瞄准线和射击线
的稳定处理。为方便教学和训练，并逼真地模拟火
控系统的工作环境，需要模拟高炮火控系统各个单
体的功能。针对目前高炮火控模拟训练系统没有
考虑实战情况下炮车车体姿态变化对射击诸元的
影响，笔者提出了一种利用数模转换方式输出车体
姿态信息的方法。某自行高炮车体姿态信号是符
合一定要求的正余弦旋转变压器信号。系统总体
设计为：车体姿态信息采用仿真方法获得，经数字
轴角转换（ＤＲｃ）得到正余弦旋转变压器信号，即
车体姿态量。设计这样的系统既节约成本也解决
一
收稿日期：２０１０—０３—１５；修回日期：２０１０—０４—１５
作者简介：董志华（１９８７一），男，硕士研究生，主要从事火控指控与制导系统理论技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：５７６８２７０１１＠ｑｑ．ｔｏｍ
第３期 董志华，等：某高炮车体姿态信息仿真模拟研究 ・７１・
了场地的限制，解决了以往火控模拟系统未考虑车
体姿态对射击诸元影响的问题。
１ 系统结构设计
在某型高炮火控系统中，利用方位垂直基准仪
输出车体姿态信息（航向角Ｋ、纵摇角 和横摇角
），每一姿态分量用四路粗精结合的正余弦旋转变
压器信号表示，共输出１２路模拟信号。以下均以航
向角为例进行说明，在激磁电压Ｕ—Ｕｍ ｓｉｎ ｔ作
用下，输出的航向角姿态量信息的数学形式为：
ｆＵ １一Ｕ ｓｉｎ Ｋｉｓｉｎ叫ｔ
ｌＵ ２＝＝：Ｕｍ ｃｏｓ Ｋｊｓｉｎ∞ｔ …
ｌ Ｕｋ３一Ｕ ｓｉｎ Ｋ ｓｉｎ ｔ
ｌＵ ４一Ｕ。ｎａ ＣＯＳ Ｋ ｓｉｎ ｔ
式中：【， 为激磁电压幅值； 为激磁电压频率（４００
Ｈｚ）；Ｋ 为精轴角量；Ｋ 为粗轴角量。
数字～轴角转换就是将输出的数字角度量Ｋ、 、
分别变为正余弦旋转变压器信号形式的模拟量，
图１是航向角粗精分离后精轴角度数字一轴角转换
结构。
～
级
二级
仿
数
缓存
缓存
真 字
产
ＰＣ
接
数据
生
总到
信号
口
一
级
二级
姿 电
厂１缓存
缓存
态 路
Ｐ２Ｃ 一
信
模
锁存
二级
息 块
控制
缓存
缓存
图１数字一轴角转换结构
Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆｄｉｇｉｔａｌ－ｓｈａｆｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
系统主要由软件和硬件两部分组成：软件部分
实现车体姿态量的仿真；硬件部分实现姿态量信息
的数模转换。接口电路模块将姿态量仿真信息和
控制信号输出。
２硬件设计部分
２．１激磁电路设计
激磁电路的功能是产生４００ Ｈｚ的正弦电压信
号，作为Ｄ／Ａ转换时的参考信号。本装置中采用
数字频率合成技术（ＤＤＳ）产生正弦信号，原理图如
图２所示。它具有线路简单、频率精度高、工作稳
定可靠、易于实现和成本低等特点。
图２ ＤＤＳ原理图
Ｆｉｇ．２ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＤＤＳ
～
２．２ Ｄ／Ａ转换电路设计
本系统中选用１２位乘法型Ｄ／Ａ转换芯片
ＡＤ７５４１Ａ。该Ｄ／Ａ转换器有两种工作方式：单极
性输出和双极性输出。表１显示两种工作方式下
输入与输出的关系。
表１ ＡＤ７５４１Ａ输入输出关系
Ｔａｂ．１ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ＡＤ７５４１Ａ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ
１１１ １１１ １１１ １１１
Ｕ ｆ（４ ０９５／４ ０９６）一Ｕ ｆ（２ ０４７／２ ０４８）
１００ ０００ ０００ ００１
一
【 （２ ０４９／４ ０９６） 一 ｆ（１／２ ０４８）
ｌＯＯ ０００ ０００ ０００
一
Ｕ， ｆ（２ ０４８／４ ０９６）０
Ｏ１１ １１１ １１１ １１１
Ｕ （２ ０４７／４ ０９６） ｆ（１／２０４８）
０００ ０００ ０００ ００１
Ｕ （１／４ ０９６） Ｕ （２０４７／２０４８）
０００ ０００ ０００ ０００
０ Ｕｒ ｆ
本系统需选用双极性工作方式，图３所示为其
连接方式，实现四象限乘法。当以激磁信号作为参
考电压时，实现了对输入的调制。
图３双极性电路图
Ｆｉｇ．３ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆｂｉｐｏｌａｒ ｍｏｄｅ
２．３数据锁存电路
如图１所示，系统中接口电路以１２位二进制
形式分时输出经取正（余）弦值的数字量轴角，经两
级锁存器后送到Ｄ／Ａ转换器中。第１级实现数据的
锁存，第２级实现数据锁存和各路数据的同步更新。
～
・
７２ ・ 火炮发射与控制学报 ２０１０年９月
接口电路输出２４骼数据通道和７路控制信
号：数据通道由３个姿态量共用；７路控制信号中６
路分别控制第１级数据锁存，另一路实现第２级数
摇角 和横摇角 的计算公式为：
一ａ ｉｎ （２）
据同步更新：
口：ａｒｃｓｉｎ ＝二
．－Ｉ＿．．。●．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．１
（３）
式中：Ｌ 为Ａ到Ｃ点的距离；Ｌ加表示Ａ到Ｂ点的
３ 软件设计部分
３．１道路数据的产生和姿态量的仿真
目前，分形几何在地形仿真领域得到广泛应
用。从数据结构上来看，利用分形几何方法实现地
形仿真可分两大类：一类是基于随机分布数据点的
不规则三角形格网（ＴＩＮ）；另一类是基于规则分布
数据点的栅格网格（ＲｓＧ）。为减轻计算机运算负
担和实现时的简便，采用规则栅格生成地形数据。
首先进行三维空间建模，即世界坐标系０一ＸｙＨ，
如图４（ａ）所示。将平面ＯＸＹ均分成相同的方格，
并求取每个栅格的平面坐标，用二维数组存储各栅
格顶点坐标。利用随机法生成栅格各顶点的高度，
得到各栅格顶点三维坐标；采用双线性插值法得到
栅格内任意点的地形高度。这样就完成了地形数
据的计算，建立了地形数据库＿１ ］。
Ｄ
（ａ） （ｂ）
图４世界坐标系
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｗｏｒｌｄ
车体姿态量包括航向角、纵摇角、侧倾角。为
简化计算，选择履带上的４个支点构成的平面确定
车体的姿态量。如图４（ｂ）所示，空心点代表支点，
实心点代表车体中心。设定车体坐标系以前进方
向为Ｘ轴、横向为Ｙ轴、垂直车体平面向上为ｈ
轴Ｅｓ］。仿真系统中车体按预设轨迹和受方向键控制
运动，根据车体运动轨迹对其航向角和中心点坐标
进行修正，可得任一时刻车体的航向角Ｋ和中心点
坐标０，从而确定了４个支点在ｏＸｙ平面内的坐
标。根据地形数据又可求得４个支点的高度，从而得
到４个支点的坐标分别是Ａ（ｘ ，Ｙ。，ｈ ）、Ｂ（ｘ ，Ｙ。，
ｈ２）、Ｃ（ｘ３，Ｙ３，ｈ３）、Ｄ（ｘ４， ４，ｈ４）。按照比较对角线
的方法确定车体的支撑面，即确定４个支点中的一
个悬空点 ］。假定Ｄ为悬空点，则该时刻车体的纵
距离。
３．２ 姿态量的粗精分离
车体的姿态量由多极正余弦旋转变压器信号
确定，其特点是粗精比为１：１６。根据正余弦旋转变
压器的工作机制，得出粗精轴角分离的方法。以航
向角Ｋ为例，粗角度Ｋ 保持不变，而精角度Ｋｊ是
３６０除１６倍粗轴角度的余数嘲。
ｒ
Ｋ 一Ｋ
１Ｋｊ一［ ｔ（ ）］×３６。
３．３ 三角函数的扩展和取整
粗精分离后得到Ｋｃ、Ｋ，分别对其取正余弦值得：
ｒＫｃｓ—ｓｉｎ Ｋｃ
Ｊ
ｌ
Ｋｃ
Ｋ Ｊ 一ｓｉ
ｃ＿ｃ∞Ｋｃ
ｎ Ｋｊ
（５）
Ｉ Ｋｊ 一ＣＯＳ Ｋｊ
为提高精度，输入到Ｄ／Ａ转换器的必须是１２位二
进制整数，而经取正余弦值后，Ｋ。 、Ｋ 。、Ｋｊ 和Ｋｊ。的
取值范围为（一１，１）。需将这些量线性扩展到（Ｏ，
４ ０９５）后再取整，做到一一对应，对应关系为：
Ｙ一一 一一— （１ｌｚ一１）ｚ—ｌ （４）Ｌ４
式中：Ｘ∈（一１．１）；Ｙ∈（０，４ ０９５）。
４ 试 验
下面以航向角为例，说明数据传送方式。本系
统采用ＰＣＩ一７２９６数字Ｉ／Ｏ卡，其工作方式是每次
可以输出８位二进制数。因此，正余弦值分别需要
分两次传送，先是送低８位，然后将高４位的左
（右）边补４位０组合成８位二进制数，再进行传送。
图５所示为某一时刻车体航向角姿态量产生流程。
将模拟系统连接到炮车车体信息处理机。以
航向角为例进行实验，设计算机以１ Ｓ的间隔向模
拟系统中传送车体姿态量，经模拟系统ＤＲＣ处理
后，航向角以模拟量形式输入到车体信息处理机，
车体机将模拟姿态信息处理后实时显示出来。记
录仿真系统中输出的姿态角量和车体信息处理机
第３期 董志华，等：某高炮车体姿态信息仿真模拟研究 ・ ７３ ・
软
件
实
现
硬
件
实
现
图５ ＤＲＣ流程图
Ｆｉｇ．５ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆＤＲＣ
上显示的姿态量，如表２所示。
表２实验数据对比
Ｔａｂ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ
５ 结 论
按上述方法设计的车体姿态模拟系统，其输出
的正余弦旋转变压器信号接到车体信息处理系统
后，再经轴角一数字转换（ＲＤＣ）进行实时显示，与地
形道路仿真环境下的姿态量误差不大于０．０５。
（１６：１粗精结合系统），故该方法设计的模拟系统
满足要求，并在高炮火控模拟系统中得到应用。
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ｍｕｌｔｉ—ｐｏｌｅ ｒｅｓｏｌｖｅｒ［Ｊ］．Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ
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