基于北斗的下投式空降區(qū)域探測(cè)儀設(shè)計(jì)?

王曉晅 解北京 張 芳 吳豐華

（1.中國(guó)人民解放軍95857部隊(duì) 孝感 432100）（2.湖北中醫(yī)藥大學(xué) 武漢 430000）

1 引言

空降的成功率與空降區(qū)域的氣象條件和地理環(huán)境息息相關(guān)。在空降作戰(zhàn)行動(dòng)中，對(duì)空降區(qū)域空中風(fēng)向、風(fēng)速評(píng)估失誤，將會(huì)導(dǎo)致傘兵偏離預(yù)定的著陸區(qū)域，以致失去空降兵快速、縱深打擊能力。而對(duì)空降區(qū)域地理環(huán)境評(píng)估失誤，則會(huì)導(dǎo)致傘兵在危險(xiǎn)地域著陸，造成不必要的空降損耗。如果采用下投式探測(cè)儀，實(shí)時(shí)把空降區(qū)域的氣象要素和地理環(huán)境探測(cè)出來(lái)，能有效提高空降兵對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的快速反應(yīng)能力，進(jìn)而提升空降的精確性和安全性。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展，基于導(dǎo)航體制的探空儀成為今后探空技術(shù)發(fā)展的主流［1］。導(dǎo)航型探空儀與傳統(tǒng)探空儀相比最大優(yōu)勢(shì)是風(fēng)向、風(fēng)速的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性有很大的提高。目前，基于GPS星基導(dǎo)航的探空測(cè)風(fēng)技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用非常普遍［2～3］，但是美國(guó)軍方擁有GPS技術(shù)的所有知識(shí)產(chǎn)權(quán)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（CNSS）是我國(guó)自行研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，并將在2020年形成全球覆蓋能力［4～5］。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)，為發(fā)展我國(guó)自主的星基導(dǎo)航探空測(cè)風(fēng)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)［6］。當(dāng)前，研究和發(fā)展基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的下投式空降著陸區(qū)探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，這將促使我軍空降保障模式從傳統(tǒng)的地面人工引導(dǎo)向空中智能引導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)變。

2 下投式空降著陸區(qū)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)組成及原理

下投式空降區(qū)域探測(cè)系統(tǒng)主要由下投式探測(cè)儀、機(jī)載接收系統(tǒng)兩部分組成。下投式探測(cè)儀主要由降落傘、氣象傳感器、北斗衛(wèi)星定位測(cè)風(fēng)模塊、無(wú)線數(shù)字傳輸模塊、無(wú)線圖傳模塊、電源模塊、攝像頭、云臺(tái)和微處理器等組成。機(jī)載接收系統(tǒng)由無(wú)線數(shù)字傳輸模塊、無(wú)線圖傳模塊、電源模塊、微處理器和上位機(jī)組成。如圖1所示。

圖1 下投式空降著陸區(qū)探測(cè)儀框圖（a）機(jī)載接收系統(tǒng)框圖（b）

探測(cè)儀采用傘降方式在空降區(qū)域投放后，即利用北斗接收機(jī)對(duì)探測(cè)儀進(jìn)行定位，獲取經(jīng)緯度、高度和時(shí)間信息；利用氣象傳感器對(duì)大氣溫度、濕度、氣壓進(jìn)行采樣。微處理器將北斗定位信息和氣象信息組裝成幀，通過(guò)無(wú)線數(shù)字傳輸模塊發(fā)送給空中的機(jī)載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。同時(shí)，利用攝像頭對(duì)空降區(qū)域進(jìn)行高清成像，并通過(guò)無(wú)線圖傳模塊發(fā)送給空中的機(jī)載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)接收的數(shù)據(jù)、圖像進(jìn)行分析處理，并將處理后的氣象和地理信息傳遞給空降突擊部隊(duì)。

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)傘降作戰(zhàn)、訓(xùn)練的使用要求，提出以下性能指標(biāo)。

探測(cè)高度：0～3km；垂直位置精度：10m；水平位置精度：5m；

風(fēng)速測(cè)量范圍：0～40m/s；風(fēng)向測(cè)量范圍：0～360°；風(fēng)速誤差≤0.5m/s，風(fēng)向誤差≤3°；

溫度測(cè)量范圍：-40°～60°；溫度最大靜態(tài)測(cè)量誤差：0.2°；

氣壓測(cè)量范圍：300hPa～1100 hPa；氣壓最大測(cè)量誤差：1 hPa；

濕度測(cè)量范圍：1%～100%（相對(duì)濕度）；濕度最大靜態(tài)測(cè)量誤差：3%（相對(duì)濕度）；

無(wú)線傳輸模塊頻率范圍：433MHz～490MHz；最大輸出功率：8W；傳輸距離：空曠地15km；

無(wú)線圖傳模塊頻率范圍：1.2GHz；最大輸出功率：13W；傳輸距離：通視15km；

探測(cè)儀連續(xù)工作時(shí)間：≥20min。

3 下投式空降區(qū)域探測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制模塊設(shè)計(jì)

3.1.1 微處理器模塊設(shè)計(jì)

微處理器的主要功能：一是對(duì)各類外設(shè)進(jìn)行控制。通過(guò)USART接口控制導(dǎo)航定位測(cè)風(fēng)模塊CC50III-BG、無(wú)線數(shù)字傳輸模塊、無(wú)線圖傳模塊；通過(guò)SPI總線控制AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）對(duì)溫度、濕度、氣壓進(jìn)行采樣；通過(guò)IO口控制云臺(tái)。二是完成數(shù)據(jù)傳輸。微處理器將經(jīng)緯度、高度、時(shí)間和氣象數(shù)據(jù)按協(xié)議打包，通過(guò)無(wú)線數(shù)字傳輸模塊發(fā)送給機(jī)載接收系統(tǒng)。根據(jù)性價(jià)比并結(jié)合常見(jiàn)探空平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案［7］，本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體的STM32F103增強(qiáng)型微處理器構(gòu)成探測(cè)儀的控制核心。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸控制規(guī)程

本設(shè)計(jì)采用面向字符的傳輸控制規(guī)程，使用ASCII代碼集中的傳輸控制字符作為鏈路控制信息。如：SOH（報(bào)頭開(kāi)始）；STX（正文開(kāi)始）；ETX（正文結(jié)束）；EOT（傳輸結(jié)束）。下投式空降區(qū)域探測(cè)儀上報(bào)的數(shù)據(jù)幀格式為：同步頭+SOH+探測(cè)時(shí)間+衛(wèi)星時(shí)間+經(jīng)度+緯度+高度+氣溫+氣壓+濕度+ETX+CRC，數(shù)據(jù)傳送速率為每秒鐘1幀。如表1所示。

表1 探測(cè)儀上報(bào)數(shù)據(jù)格式

3.2 導(dǎo)航定位測(cè)風(fēng)模塊設(shè)計(jì)

測(cè)風(fēng)是探測(cè)儀最重要的功能，測(cè)風(fēng)效果決定了探測(cè)儀的性能優(yōu)劣，因此測(cè)風(fēng)模塊功能研究和設(shè)計(jì)尤為重要。

3.2.1 導(dǎo)航定位測(cè)風(fēng)模塊硬件實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)航定位測(cè)風(fēng)模塊采用基于CC50III-BG的設(shè)計(jì)。CC50III-BG是目前具有最優(yōu)性價(jià)比的國(guó)產(chǎn)化北斗/GPS雙系統(tǒng)高精度導(dǎo)航模塊，廣泛應(yīng)用于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)、車輛監(jiān)控/導(dǎo)航、氣象探空和授時(shí)等應(yīng)用領(lǐng)域。其水平定位精度為5m，垂直定位精度為10m，測(cè)速精度為0.1m/s。測(cè)風(fēng)模塊參考設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 測(cè)風(fēng)模塊參考設(shè)計(jì)

上圖中控制邏輯由STM32F103的IO口提供，1Hz時(shí)間脈沖信號(hào)由STM32F103的定時(shí)器提供。TXD1、RXD1與STM32F103的UART1連接，提供串口通信。

3.2.2 風(fēng)速的計(jì)算

北斗導(dǎo)航模塊CC50III-BG可同時(shí)接收北斗和GPS信號(hào)，可以采用1）單北斗信號(hào)解算；2）單GPS信號(hào)解算；3）北斗和GPS信號(hào)混合解算等三種模式定位測(cè)速。本文采用混合解算模式，可以有效提高定位和測(cè)速的精度。利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)速的方法有測(cè)距定位法和多普勒頻移法兩種［8～9］。其中，多普勒法所獲取的風(fēng)速是瞬時(shí)值，受探測(cè)儀擺動(dòng)影響波動(dòng)較大，所以本文采用導(dǎo)航測(cè)風(fēng)，可以有效平滑瞬時(shí)誤差。

探測(cè)儀拋出穩(wěn)定后，下降速度約為6m/s～10m/s，系統(tǒng)采樣間隔為1s，期間探測(cè)儀下降約6m～10m?？梢哉J(rèn)為在6m～10m的氣層厚度內(nèi)，水平氣流的速度保持不變，測(cè)出的風(fēng)速即為真實(shí)風(fēng)速，稱之為真風(fēng)。設(shè)探測(cè)儀在高度hi的坐標(biāo)為(xi,yi)，時(shí)間為ti，在高度hi-1的坐標(biāo)為(xi-1,yi-1)，時(shí)間為ti-1。則在第i層（高度Hi=(hi+hi-1)2）的風(fēng)速和風(fēng)向?yàn)?/p>

對(duì)于由降落傘攜帶的探測(cè)儀，不能忽略降落傘系統(tǒng)的慣性，系統(tǒng)在垂直方向的下降速度有加速度，因此不能直接把系統(tǒng)在水平方向的運(yùn)動(dòng)作為水平氣流的流動(dòng)。兩高度間的層間合成風(fēng)，可由之間若干層真風(fēng)矢量的矢量和得到。由于各真風(fēng)層厚度不同，對(duì)合成風(fēng)貢獻(xiàn)也不同，可以根據(jù)各真風(fēng)層占兩高度間氣層總厚度的比例，對(duì)各層真風(fēng)矢量進(jìn)行加權(quán)。加權(quán)后各層真風(fēng)公式如下：

式中thi是第i真風(fēng)層厚度，H為兩高度間氣層總厚度，vix、viy是第i真風(fēng)層對(duì)合成風(fēng)矢量在x、y方向的貢獻(xiàn)。

兩高度間的層間合成風(fēng)公式如下：

式中Vx、Vy為合成風(fēng)矢量在x、y軸上的分量，m、n為起始真風(fēng)層和終止真風(fēng)層。

3.3 氣象傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器電路主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和溫度、濕度、氣壓傳感器以及信號(hào)調(diào)理電路組成，如圖3所示。傳感器的選擇：1）溫度傳感器型號(hào)為PF1，屬于線繞式鉑電阻，溫度測(cè)量范圍為-80℃～+180℃；2）氣壓傳感器型號(hào)為MPM180，屬于壓阻式壓力敏感元件；3）濕度傳感器型號(hào)為SHT15，具有反應(yīng)時(shí)間快，敏感度高等優(yōu)點(diǎn)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794具有功耗低和完全模擬輸入終端，可用在低頻信號(hào)的測(cè)量中，集成了多路復(fù)用器和串行外圍接口（SPI）等，非常適合多通道的應(yīng)用。

圖3 傳感器電路框圖

3.4 無(wú)線圖傳發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)是信道編碼技術(shù)和OFDM技術(shù)的結(jié)合，由于加入信道編碼，該技術(shù)具有強(qiáng)大的糾錯(cuò)功能，提高了抗多徑衰落和抗多譜勒頻移的能力［10～11］。由于本設(shè)計(jì)的接收部分位于高速運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)上，采用COFDM技術(shù)可有效克服譜勒頻移影響。

無(wú)線圖傳發(fā)送模塊采用“DSP+正交DAC”的設(shè)計(jì)思路，如圖4所示。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)RS糾錯(cuò)編碼、頻域交織、3/4碼率的TCM-16QAM編碼、快速傅里葉反變換（IFFT）、插入保護(hù)間隔等過(guò)程，最后通過(guò)正交調(diào)制器實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻，從而完成COFDM調(diào)制。D/A變換之前的工作全部由DSP通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，DSP選擇TI公司的TMS320C6748浮點(diǎn)處理器。正交調(diào)制器采用AD9957實(shí)現(xiàn)，DSP輸出的I、Q兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)插、抽取、濾波、混頻、DA等過(guò)程，調(diào)制為中頻信號(hào)。中頻信號(hào)通過(guò)混頻上變頻到射頻頻段，然后經(jīng)過(guò)濾波和功率放大就可以發(fā)射出去了。

圖4 無(wú)線圖傳發(fā)送模塊框圖

3.5 無(wú)線數(shù)字傳輸模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)字傳輸模塊采用“單片機(jī)+無(wú)線收發(fā)芯片”的設(shè)計(jì)思路，如圖4所示。主控芯片采用C8051F930單片機(jī)，RF芯片采用Si4432無(wú)線收發(fā)芯片。Si4432內(nèi)部集成了數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，發(fā)送和接收FIFO、功率放大器、分集式天線等，所以只需要很少的外部原件就可以構(gòu)建一個(gè)高性能的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)。Si443不加功率放大器時(shí)的最大輸出功率就可達(dá)+20dBm，提供的雙天線設(shè)計(jì)和內(nèi)部集成算法能使有效發(fā)射距離提高50%以上，為了進(jìn)一步提升通信距離，外加了M57704M功放模塊，使發(fā)射功率提高到8W～13W，有效的滿足了遠(yuǎn)距離通信需求。RS232串口提供了簡(jiǎn)單易用的操作接口，探測(cè)儀控制模塊按規(guī)定的通信協(xié)議，通過(guò)串口就可以很方便地發(fā)送、接收數(shù)據(jù)和對(duì)無(wú)線數(shù)字傳輸模塊進(jìn)行控制。對(duì)探測(cè)儀控制模塊來(lái)說(shuō)，無(wú)線數(shù)字傳輸模塊就是一個(gè)透明無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)單元。

4 結(jié)語(yǔ)

空降是一種傳統(tǒng)投送方式，在與先進(jìn)制導(dǎo)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合后，投送距離、精度和靈活性都有了極大提高，其軍事應(yīng)用也今非昔比［12］。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的防務(wù)公司在空降空投保障方面進(jìn)行了大量的研究，研制出了一批多用途、自動(dòng)化、高精度的保障系統(tǒng)，包括下投式探空儀、制導(dǎo)空投系統(tǒng)等［13～14］。這些系統(tǒng)基本都是基于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航體制工作的。我國(guó)在這方面進(jìn)展不足，特別是在裝備研制方面還處于起步階段。發(fā)展基于北斗導(dǎo)航體制的空降空投保障裝備，擺脫對(duì)GPS系統(tǒng)的依賴，是提升我軍空降空投能力的現(xiàn)實(shí)需求。本文給出的基于北斗導(dǎo)航的下投式空降區(qū)域探測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)初步驗(yàn)證具有良好的可行性和實(shí)用性。