一種機(jī)載紅外測量系統(tǒng)引導(dǎo)模塊設(shè)計

梁葆華 LIANG Bao-hua；井哲 JING Zhe；楊曉萍 YANG Xiao-ping

（中國飛行試驗(yàn)研究院航電所，西安710089）

0 引言

未來的先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)均采取了紅外措施，其紅外輻射大大衰減，如隱身作為未來戰(zhàn)機(jī)的幾大特征之一[1]，其紅外性能的動態(tài)測試與評估，將是試飛工作中的一項非常重要的內(nèi)容。需要通過載機(jī)平臺加裝機(jī)載紅外測量系統(tǒng)對目標(biāo)的紅外特性進(jìn)行測量，以獲取高置信度的測量結(jié)果，為消除測量距離上大氣對紅外衰減的影響，要求測量距離盡可能近，著重在距目標(biāo)機(jī)幾十米至幾百米內(nèi)情況下的紅外輻射特性，然而如果探測距離近必將導(dǎo)致試驗(yàn)時間短暫，試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取難度增大，因此要求紅外測量系統(tǒng)需要快速跟蹤目標(biāo)，最大限度獲取紅外特性數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)紅外測量系統(tǒng)快速跟蹤目標(biāo)，需要研制引導(dǎo)系統(tǒng)向紅外測量系統(tǒng)提供實(shí)時目標(biāo)方位、距離等引導(dǎo)信息，以滿足快速引導(dǎo)紅外測量系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)的目的。本文就紅外測量系統(tǒng)的引導(dǎo)模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試。

1 紅外測量系統(tǒng)引導(dǎo)模塊基本原理

紅外測量系統(tǒng)一般吊掛在飛機(jī)上，用于空對空動態(tài)目標(biāo)紅外輻射特性跟蹤測量，圖1所示為測量目標(biāo)尾向情況飛行態(tài)勢。目標(biāo)機(jī)將自身位置、速度信息通過數(shù)傳電臺發(fā)送給紅外測量飛機(jī)的引導(dǎo)解算單元，引導(dǎo)解算單元通過目標(biāo)機(jī)位置、本機(jī)位置、姿態(tài)等信息計算目標(biāo)機(jī)相對于紅外測量載機(jī)的方位、距離信息，并將該信息通過內(nèi)部總線發(fā)送給紅外測量系統(tǒng)，引導(dǎo)其快速對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測量。

圖1 紅外測量飛行態(tài)勢

2 引導(dǎo)解算模型

引導(dǎo)過程即已知載機(jī)大地坐標(biāo)（B0,L0,h0），目標(biāo)的大地坐標(biāo)(B1,L1,h1)，求解目標(biāo)相對載機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系(α，λ，R)的過程。其中α是方位角，λ是俯仰角，R是距離，引導(dǎo)解算過程就是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程，即從大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)至大地直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)至地理坐標(biāo)系最后轉(zhuǎn)至載機(jī)坐標(biāo)系。

①將載機(jī)、目標(biāo)機(jī)的經(jīng)度、緯度、高度轉(zhuǎn)換為地心直角坐標(biāo)。

按照式（1）將載機(jī)和目標(biāo)機(jī)大地坐標(biāo)系變換至載機(jī)地心直角坐標(biāo)（x0、y0、z0）和目標(biāo)機(jī)地心直角坐標(biāo)（x1、y1、z1）。

②將目標(biāo)機(jī)的地心直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為載機(jī)地理系（北東天坐標(biāo)系）坐標(biāo)。

根據(jù)1）計算得到的載機(jī)、目標(biāo)機(jī)地心直角坐標(biāo)，按照式（4）將目標(biāo)機(jī)地心直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至在載機(jī)地理系中的坐標(biāo)（xg、yg、zg）。

③將目標(biāo)機(jī)地理系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)體系坐標(biāo)。

根據(jù)公式（4）計算結(jié)果，按照式（5）將目標(biāo)機(jī)地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至機(jī)體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（xb、yb、zb）。

公式（5）中yaw—載機(jī)真航向、pitch—載機(jī)俯仰角、roll—載機(jī)橫滾角。

④引導(dǎo)輸出機(jī)體方位角計算。

引導(dǎo)機(jī)體方位角α按式（6）計算：

⑤引導(dǎo)輸出機(jī)體系俯仰角計算。

引導(dǎo)輸出機(jī)體系俯仰角λ按式（7）計算：

3 引導(dǎo)系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

根據(jù)該項目的技術(shù)需求，引導(dǎo)系統(tǒng)總體硬件實(shí)現(xiàn)方案框圖如圖2所示。紅外測量引導(dǎo)系統(tǒng)由時碼發(fā)生器、GSP接收機(jī)、電臺、引導(dǎo)任務(wù)處理機(jī)組成。其中時碼發(fā)生器也稱B碼發(fā)生器，主要用于接收GPS時間，并向整個被試系統(tǒng)和配試系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)；數(shù)傳電臺用于接收目標(biāo)機(jī)（被測量飛機(jī)）的GPS位置信息，通過RS-422總線發(fā)送給引導(dǎo)任務(wù)處理機(jī)；GPS接收機(jī)用于接收GPS信息，獲取本機(jī)位置、速度信息，RS-232總線發(fā)送給引導(dǎo)任務(wù)處理機(jī)；引導(dǎo)任務(wù)處理機(jī)用于接收載機(jī)平臺、目標(biāo)機(jī)等信息，對信息進(jìn)行時間同步和外推等預(yù)處理后再進(jìn)行引導(dǎo)解算，并將解算的距離、方位等引導(dǎo)信息周期性通過1553B總線發(fā)送給加裝的紅外測量吊艙。

圖2 硬件實(shí)現(xiàn)框圖

3.1 時碼發(fā)生器 時碼發(fā)生器選用AGB-2型機(jī)載GPS-B時碼發(fā)生器（型號G200904697、G200904698），其工作原理為接收GPS衛(wèi)星信號，依據(jù)接收到的標(biāo)準(zhǔn)GPS時間和1PPS定時信號，產(chǎn)生多路IRIG-B時碼（AC碼）信號。

3.2 GPS接收機(jī) GPS接收機(jī)選用型號為諾瓦太公司型號為DL-V3的硬件模塊，以NMEA0183 GGA/VTG/RMC格式實(shí)時給出WGS-84定位坐標(biāo)及速度、方向、定位狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等信息；輸出20HZ的原始觀測數(shù)據(jù)和定位速度數(shù)據(jù)發(fā)送至引導(dǎo)任務(wù)處理機(jī)。

3.3 數(shù)傳電臺 數(shù)傳電臺選用SCADA設(shè)計的基于DSP的無線電設(shè)備，支持串行遠(yuǎn)程終端單元（RTU）和可編程邏輯控制器（PLC），用于接收目標(biāo)機(jī)（被測量飛機(jī)）的GPS位置信息，通過串口發(fā)送至引導(dǎo)任務(wù)處理機(jī)。

3.4 引導(dǎo)任務(wù)處理機(jī) 引導(dǎo)任務(wù)處理機(jī)系統(tǒng)硬件由FPGA和1553B收發(fā)芯片組成，完成1553B協(xié)議的采集和回放，提供給軟件控制接口和數(shù)據(jù)通道。存儲單元由PCIe-SATA協(xié)議轉(zhuǎn)換和SATA接口電子盤組成。可通過RS232或網(wǎng)絡(luò)接口控制該采集存儲模塊，并可通過千兆以太網(wǎng)口下載已經(jīng)記錄的總線數(shù)據(jù)。系統(tǒng)框圖如圖3所示。完成對1553B總線數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)發(fā)、引導(dǎo)計算、存儲和下載功能。

圖3 接口轉(zhuǎn)換設(shè)備功能框圖

4 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)駐留在引導(dǎo)任務(wù)處理機(jī)中，根據(jù)功能將軟件系統(tǒng)分為初始化模塊、RS422數(shù)據(jù)采集模塊，總線監(jiān)視模塊，引導(dǎo)解算模塊，遠(yuǎn)程終端模塊，數(shù)據(jù)記錄下載模塊，其中引導(dǎo)解算模塊處理流程如圖4所示，各模塊在系統(tǒng)整體調(diào)度下實(shí)現(xiàn)其對應(yīng)的功能，上位機(jī)控制臺與引導(dǎo)任務(wù)處理機(jī)交聯(lián)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作模式的切換，程序的燒錄，系統(tǒng)軟件的配置、記錄數(shù)據(jù)的下載等功能。

圖4 引導(dǎo)解算模塊處理流程

5 引導(dǎo)系統(tǒng)試飛驗(yàn)證

為充分驗(yàn)證引導(dǎo)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，利用機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)對引導(dǎo)系統(tǒng)輸出準(zhǔn)確性進(jìn)行檢查，具體方法為載機(jī)和目標(biāo)機(jī)迎頭進(jìn)入，機(jī)載雷達(dá)對目標(biāo)機(jī)進(jìn)行探測跟蹤，同時引導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)機(jī)和載機(jī)位置、姿態(tài)信息進(jìn)行引導(dǎo)解算，事后將兩者輸出進(jìn)行插值處理，分析輸出結(jié)果的一致性，分析結(jié)果如圖5所示，通過試飛結(jié)果分析，引導(dǎo)系統(tǒng)與機(jī)載雷達(dá)輸出一致，證明引導(dǎo)系統(tǒng)的引導(dǎo)算法正確，可滿足紅外測量引導(dǎo)的需求。

6 結(jié)束語

現(xiàn)代高端技術(shù)戰(zhàn)爭，是在多維戰(zhàn)場空間（陸、海、空、天、電子、信息）上的軍事對抗，對抗的實(shí)質(zhì)是探測與反探測的大對抗。隨著紅外技術(shù)在武器系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，新型武器系統(tǒng)設(shè)計，迫切需要了解飛機(jī)的紅外輻射特性。飛行器的紅外輻射特性動態(tài)測量與研究，對飛行器紅外特性設(shè)計定型鑒定、紅外設(shè)計與性能驗(yàn)證/評估、武器制導(dǎo)、目標(biāo)探測與識別、光電對抗、反隱身技術(shù)、仿真等等眾多軍事領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，而紅外測量引導(dǎo)系統(tǒng)是確保測量系統(tǒng)快速跟蹤目標(biāo)、獲取盡可能多紅外特征數(shù)據(jù)的有力保障，因此引導(dǎo)模塊具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價值，本文從引導(dǎo)算法、軟硬件設(shè)計到最終飛行驗(yàn)證充分證明了該系統(tǒng)設(shè)計方法的正確性，對于同類引導(dǎo)系統(tǒng)研制具有很強(qiáng)的借鑒意義。

圖5 引導(dǎo)輸出與雷達(dá)輸出對比曲線

[1]涂澤中，雷迅，胡蓉.對新一代綜合航電系統(tǒng)發(fā)展的探討[J].航空電子技術(shù)，2001：32（1）.

[2]王姝.機(jī)載光電測量系統(tǒng)引導(dǎo)及定位技術(shù)研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2007.

[3]李艷曉，胡磊力，陳洪亮，車宏.基于GPS引導(dǎo)的高精度動態(tài)紅外輻射模擬器[J].測控技術(shù)，2009：28.

[4]田偉.雷達(dá)精度試驗(yàn)中GPS數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及誤差分析[J].雷達(dá)與對抗，2007（2）.

[5]王國玉.電子裝備試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.