遙測天線基于數(shù)據(jù)流中GPS信息的引導(dǎo)

張景鵬，曹　霧，鄭曉燕，胡含凱

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

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遙測天線基于數(shù)據(jù)流中GPS信息的引導(dǎo)

張景鵬，曹霧，鄭曉燕，胡含凱

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

摘要:針對常規(guī)兵器靶場試驗(yàn)中，傳統(tǒng)遙測天線由雷達(dá)提供引導(dǎo)數(shù)據(jù)時(shí)存在遠(yuǎn)射程不能全彈道跟蹤目標(biāo)的問題，提出了利用遙測數(shù)據(jù)流中的GPS等位置信息作為導(dǎo)引數(shù)據(jù)，引導(dǎo)遙測天線跟蹤被測目標(biāo)的方法,該方法從遙測數(shù)據(jù)流中實(shí)時(shí)提取GPS位置信息，利用遙測數(shù)據(jù)流中的位置信息與理論彈道比較、彈道預(yù)測和修正等算法，實(shí)時(shí)引導(dǎo)天線準(zhǔn)確地指向飛行目標(biāo)。試驗(yàn)表明，這樣既解決了接收到的遙測數(shù)據(jù)質(zhì)量不高問題，也解決了數(shù)字引導(dǎo)方式下雷達(dá)提供的導(dǎo)引數(shù)據(jù)非全彈道問題，實(shí)現(xiàn)遙測天線全彈道、精準(zhǔn)地指向飛行目標(biāo)，從而提高遙測接收能力。

關(guān)鍵詞:遙測；天線；數(shù)字引導(dǎo)；GPS

0引言

現(xiàn)階段常規(guī)兵器高精度遠(yuǎn)程打擊武器均采用全程制導(dǎo)，在靶場試驗(yàn)中這些武器多采用遙測彈，遙測數(shù)據(jù)流中包括了控制參數(shù)、控制反饋、彈體位置等信息，通過火箭彈或?qū)椀饶繕?biāo)遙測彈飛行試驗(yàn)中獲取的遙測數(shù)據(jù)基本可以判斷武器的制導(dǎo)效果，所以遙測地面站接收到遙測信號的質(zhì)量[1]直接影響武器靶場試驗(yàn)的效果評定。對于遙測地面站，遙測信號質(zhì)量主要取決于遙測天線、接收機(jī)靈敏度和解調(diào)性能[2]，接收機(jī)靈敏度和解調(diào)性能由硬件決定，遙測天線主波瓣較小，在火箭彈或?qū)椀任淦靼袌鲲w行中，如果能夠保持遙測天線主波瓣始終指向火箭彈或?qū)椀缺粶y目標(biāo)，將會很大地提高遙測接收到信號的質(zhì)量。目前遙測天線通常采用定向、程控、自動跟蹤和數(shù)字引導(dǎo)四種方式，定向方式適用于被測目標(biāo)運(yùn)動引起遙測天線俯仰和方位變化不大的試驗(yàn)，不適用于遠(yuǎn)程火箭彈或?qū)椀冗b測彈的信號接收；程控方式按照預(yù)設(shè)彈道進(jìn)行跟蹤，一旦發(fā)生彈道偏離，就會影響到遙測信號接收質(zhì)量，甚至發(fā)生信號丟失，這樣就不能滿足全彈道、高質(zhì)量遙測信號的要求；自跟蹤方式適用于飛機(jī)等慢速目標(biāo)的跟蹤，而火箭彈或?qū)椀茸罡邚椝倬_(dá)到5Ma以上，自跟蹤方式容易發(fā)生信號丟失，從而影響接收質(zhì)量；數(shù)字引導(dǎo)[3]是采用外來引導(dǎo)數(shù)據(jù)引導(dǎo)天線跟蹤被測目標(biāo)，現(xiàn)在大多采用雷達(dá)提供的引導(dǎo)信息，由于雷達(dá)跟蹤距離的限制，也存在不能全彈道跟蹤被測目標(biāo)等問題。因此，本文提出利用遙測數(shù)據(jù)流中的GPS位置信息作為導(dǎo)引數(shù)據(jù)。

1利用雷達(dá)數(shù)據(jù)引導(dǎo)遙測天線及其存在的問題

數(shù)字引導(dǎo)是遙測地面站天線系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，就是天線控制單元根據(jù)外界引導(dǎo)設(shè)備提供的各時(shí)刻的天線指令位置數(shù)字信息，控制天線沿著指令位置點(diǎn)確定的軌跡運(yùn)動，在相應(yīng)的時(shí)刻使天線指向規(guī)定的位置[3]。現(xiàn)階段，引導(dǎo)數(shù)據(jù)主要來自于雷達(dá)，如圖1，但是存在幾個(gè)問題：

1)雷達(dá)跟蹤距離不夠

目前遠(yuǎn)程箭彈或?qū)椀纳涑袒驹?00～350 km之間[4]，而大多數(shù)常規(guī)兵器靶場雷達(dá)跟蹤距離不到200 km，不能滿足全彈道導(dǎo)引要求。

2)布站位置影響

遙測地面站系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)在實(shí)際飛行試驗(yàn)中，往往很難布置在同一位置或相近位置，這樣就造成了數(shù)據(jù)傳輸困難。

圖1　利用雷達(dá)數(shù)據(jù)引導(dǎo)天線Fig.1　Using radar data guide antenna

2遙測天線基于遙測數(shù)據(jù)流中GPS信息引導(dǎo)的方法

利用遙測數(shù)據(jù)流中的GPS信息引導(dǎo)遙測天線的過程包括提取遙測參數(shù)、傳送引導(dǎo)數(shù)據(jù)到天線系統(tǒng)、引導(dǎo)數(shù)據(jù)與目標(biāo)航線擬合、計(jì)算引導(dǎo)信息位置與天線位置誤差和控制天線運(yùn)行等五個(gè)部分，如圖2。

該方法在原雷達(dá)導(dǎo)引數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)數(shù)據(jù)源改為從遙測數(shù)據(jù)流中提取，該信息同時(shí)包含遙測信號同步質(zhì)量情況，在后面引導(dǎo)數(shù)據(jù)的處理中增加遙測數(shù)據(jù)的同步質(zhì)量分析、引導(dǎo)數(shù)據(jù)與理論彈道比較和彈道預(yù)測等功能，不但可以解決使用雷達(dá)提供的導(dǎo)引數(shù)據(jù)時(shí)，存在雷達(dá)跟蹤距離有限、遙測地面站布站位置受限等問題，而且大大降低了系統(tǒng)融合的復(fù)雜度。但同時(shí)也存在相應(yīng)的一些問題：

1)遙測數(shù)據(jù)中的位置信息需要經(jīng)過多個(gè)步驟方能從遙測數(shù)據(jù)流中提取出來，再經(jīng)過串口傳輸、引導(dǎo)信息與目標(biāo)航線擬合計(jì)算等過程，這個(gè)過程需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間必須滿足天線的準(zhǔn)實(shí)時(shí)性要求。

2)遙測數(shù)據(jù)中經(jīng)常會出現(xiàn)誤碼數(shù)據(jù)，如果直接利用誤碼數(shù)據(jù)導(dǎo)引天線，必然會發(fā)生天線指向錯(cuò)誤，導(dǎo)致遙測數(shù)據(jù)中斷或目標(biāo)丟失。為了避免發(fā)生以上問題，必須通過數(shù)據(jù)融合等技術(shù)剔除數(shù)據(jù)誤碼信息。

圖2　遙測數(shù)據(jù)流中的位置信息引導(dǎo)天線Fig.2　Using the location information of telemetry data flow to guide antenna

2.1延遲特性

從遙測地面站采集計(jì)算機(jī)中提取引導(dǎo)信息經(jīng)過rs232接口傳輸?shù)教炀€控制計(jì)算機(jī)，其中引導(dǎo)數(shù)據(jù)包由GPS經(jīng)度(雙精度)、GPS緯度(雙精度)、GPS(長整形)高度組成，每個(gè)數(shù)據(jù)包占用24個(gè)字節(jié)，0.2 s傳輸一包數(shù)據(jù)，根據(jù)串口傳輸協(xié)議，碼率9 600 b/s,傳輸耗時(shí)Tb=24×10/9600=0.025 s，目前最遠(yuǎn)500 km接收距離，從目標(biāo)點(diǎn)到遙測地面站傳輸耗時(shí)Tc=500/(3×108) =0.001 67 s，一般情況下，幀長128字節(jié)，碼率819 200 b/s，幀速率Tf=128×8/819200=0.001 25 s，引導(dǎo)信息提取不超過10幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀時(shí)間Td=0.0125 秒，再加上數(shù)據(jù)處理時(shí)間即組幀時(shí)間，總時(shí)間不大于50 ms即Td=0.05 s，從遙測地面站提取數(shù)據(jù)傳輸?shù)教炀€控制計(jì)算機(jī)總耗時(shí)T1=Tb+Tc+Td=0.076 67。

遙測地面站采集計(jì)算機(jī)采集到遙測數(shù)據(jù)，根據(jù)引導(dǎo)數(shù)據(jù)在遙測幀中的定義提取信息，組成引導(dǎo)數(shù)據(jù)包,當(dāng)前遙測天線俯仰角和方位角運(yùn)行速度一般為每秒30°，天線波瓣角6°，100 ms更新一次數(shù)據(jù)，天線跟蹤分辨率為3°，可以滿足主瓣始終對準(zhǔn)跟蹤目標(biāo)的要求，所以可通過100 ms定時(shí)器發(fā)送導(dǎo)引數(shù)據(jù)到串口；天線控制計(jì)算機(jī)利用100 ms定時(shí)器接收串口數(shù)據(jù)，完成引導(dǎo)數(shù)據(jù)包的傳送與接收。

2.2引導(dǎo)數(shù)據(jù)的處理

在遙測地面站天線系統(tǒng)中，遙測天線俯仰角和方位角運(yùn)行速度一般為每秒30°[5]，被測目標(biāo)0.1 s運(yùn)動所對應(yīng)的俯仰角和方位角運(yùn)動角度不超過3°，首先比較本次接收到的GPS 導(dǎo)引信息和上次接收到的GPS導(dǎo)引信息，若角度變化小于3°，本幀數(shù)據(jù)有效，否則丟棄本幀數(shù)據(jù)，查找理論彈道相應(yīng)時(shí)間角度，再次與上次接收到的GPS導(dǎo)引信息比較，若偏差小于3°指向理論彈道所對應(yīng)的角度，否則丟棄本幀數(shù)據(jù)，具體流程如圖3所示。

通過上述基于遙測數(shù)據(jù)流中的GPS引導(dǎo)數(shù)據(jù)引導(dǎo)遙測天線跟蹤火箭彈或?qū)椀饶繕?biāo)的方法，提取遙測地面站實(shí)時(shí)接收到的遙測數(shù)據(jù)中目標(biāo)的GPS信息，通過串口快速傳遞到天線控制計(jì)算機(jī)，經(jīng)過與預(yù)設(shè)彈道擬合，有效提高了遙測天線的跟蹤精度。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

由于雷達(dá)大多數(shù)情況下不能全彈道跟蹤目標(biāo)，即不能提供全彈道、高質(zhì)量的外部導(dǎo)引數(shù)據(jù)，因此本次試驗(yàn)?zāi)M全彈道遙測數(shù)據(jù)流中的GPS導(dǎo)引數(shù)據(jù)，依據(jù)上述基于遙測數(shù)據(jù)流中的GPS信息引導(dǎo)遙測天線的方法，該信息中包括經(jīng)度、緯度、高度，經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換為天線俯仰、方位角后，形成遙測天線實(shí)際指向角如圖4，考慮到實(shí)際遙測數(shù)據(jù)解碼中存在誤碼，所以在模擬遙測數(shù)據(jù)流的GPS信息中加入誤碼點(diǎn)，形成天線指向如圖5所示，包含誤碼信息的數(shù)據(jù)作為實(shí)際的導(dǎo)引信息。

圖5　誤碼數(shù)據(jù)GPS模擬Fig.5　GPS simulation data with the error data

根據(jù)以往實(shí)際靶場試驗(yàn)情況，模擬產(chǎn)生理論彈道，該彈道作為輔助彈道修正實(shí)際引導(dǎo)數(shù)據(jù)中的誤碼信息，如圖 6，通過模擬GPS信息、包含誤碼的模擬GPS信息和理論彈道對比，如圖7，最終形成的實(shí)際天線運(yùn)動角度應(yīng)該是如圖8所示，圖中A曲線是天線實(shí)際運(yùn)行的方位，B曲線是天線實(shí)際運(yùn)行的俯仰。

圖6　理論彈道Fig.6　Theoretical Ballistic

圖7　多種數(shù)據(jù)比較圖Fig.7　Multiple data comparison

圖8　天線實(shí)際運(yùn)行圖Fig.8　Antenna actual operating

從以上模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，由最終形成圖8的天線實(shí)際運(yùn)行俯仰和方位角可知，基于遙測數(shù)據(jù)流中的GPS引導(dǎo)數(shù)據(jù)引導(dǎo)遙測天線的方法，能夠利用理論彈道作為基準(zhǔn)剔除遙測傳輸中誤碼數(shù)據(jù)，并對實(shí)時(shí)導(dǎo)引數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，最終的實(shí)際天線指向角基本與實(shí)際目標(biāo)飛行軌跡吻合，有效地提高了天線導(dǎo)引精度。

4結(jié)論

本文提出了利用遙測數(shù)據(jù)流中的GPS位置信息作為導(dǎo)引數(shù)據(jù)的方法。首先遙測數(shù)據(jù)流中必須包含有GPS信息，或者在彈載遙設(shè)備中增加GPS設(shè)備，并通過遙測數(shù)據(jù)流傳輸?shù)降孛妫缓髲倪b測數(shù)據(jù)流中快速提取參數(shù)中的GPS位置信息，通過串口傳送到天線控制單元，經(jīng)遙測數(shù)據(jù)的同步質(zhì)量分析、理論彈道對比和彈道預(yù)測，生成天線的俯仰角和方位角，最后引導(dǎo)天線運(yùn)行。試驗(yàn)表明，相比較雷達(dá)引導(dǎo)的方式，本方法可對導(dǎo)引數(shù)據(jù)源進(jìn)行質(zhì)量分析，并與理論彈道對比，減少導(dǎo)引數(shù)據(jù)有誤時(shí)造成對天線運(yùn)行的干擾，很大程度提高導(dǎo)引數(shù)據(jù)的質(zhì)量，利用該方法能得到全彈道、高質(zhì)量的導(dǎo)引數(shù)據(jù)，引導(dǎo)天線指向目標(biāo)位置所對應(yīng)的俯仰角和方位角，準(zhǔn)確導(dǎo)引天線指向所要跟蹤的目標(biāo)。

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*收稿日期:2016-03-24

作者簡介:張景鵬(1980—),男，陜西周至人，工程師，研究方向：遙測、通信。E-mail：7250242@qq.com。

中圖分類號:TJ760

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)03-0082-04

GPS Data Guide of Telemetry Antenna Information Stream

ZHANG Jingpeng, CAO Wu, ZEHNG Xiaoyan, HU Hankai

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology,Xi’an 710065,China)

Abstract:In the conventional weapon range testing, the traditional telemetry antenna in the digital guidance data provided by radar can not track target in whole trajectory, a?guidance data using GPS location information in telemetry data stream was presented to guide telemetering antenna. The method extracted real-time GPS location information from the telemetry data stream, using the information and theoretical trajectory comparison, trajectory prediction and trajectory correction, such as real-time accurate guide antenna pointing to flying target. The test showed that the received telemetry data quality was high,the radar data was whole trajectory in digital guide mode, precisely pointed to the flying target at the whole trajectory, so as to improve the ability of telemetry receiving.

Key words:telemetry; antenna; digital guidance; GPS