一種遠(yuǎn)距離無線定位回傳記錄裝置

史占付 陳侃

西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，中國(guó)·陜西 西安 710065

針對(duì)海上發(fā)射試驗(yàn)無法定位落點(diǎn)、數(shù)據(jù)記錄裝置回收難的問題，設(shè)計(jì)了一款小型化、高動(dòng)態(tài)、遠(yuǎn)距離、抗高過載的北斗GPS無線定位回傳記錄裝置。該裝置由GPS接收機(jī)、記錄器、發(fā)射機(jī)、地面接收機(jī)和天線組成，具有40g/s加加速度不失鎖的高動(dòng)態(tài)特性，能承受3萬g發(fā)射過載沖擊，定位距離10Km，定位精度10m。

北斗GPS；定位回傳；發(fā)射機(jī)；記錄器

1 引言

海上發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，回收試驗(yàn)彈落入海水中水面無任何殘留物，這給數(shù)據(jù)記錄裝置回收帶來很大麻煩。傳統(tǒng)的釋放漂浮物回收方式，容易受海浪的影響使落點(diǎn)指示產(chǎn)生漂移，如果打撈時(shí)間過長(zhǎng)，數(shù)據(jù)記錄裝置經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的海水浸泡，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)能否正確回讀產(chǎn)生了很大的影響。怎樣快速準(zhǔn)確定位數(shù)據(jù)記錄裝置的落點(diǎn)坐標(biāo)，是海上發(fā)射回收試驗(yàn)迫切需要解決的問題。

針對(duì)海上發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄裝置回收難的問題，開發(fā)設(shè)計(jì)一款具有無線定位回傳功能的數(shù)據(jù)記錄裝置，該裝置滿足試驗(yàn)彈發(fā)射抗高過載的環(huán)境需求，論文詳細(xì)闡述了該裝置的實(shí)現(xiàn)方法、系統(tǒng)組成、原理框圖、原理樣機(jī)和試驗(yàn)驗(yàn)證等。

2 方案

定位回傳記錄裝置由GPS接收機(jī)、記錄器、發(fā)射機(jī)、地面接收機(jī)和天線（GPS接收天線、發(fā)射機(jī)天線和地面接收天線）組成。定位回傳系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 定位回傳系統(tǒng)原理框圖

北斗GPS接收機(jī)選用北方聯(lián)星公司CNS35-202-J BDS/GPS高動(dòng)態(tài)接收機(jī)，該接收機(jī)具有40g/s 加加速度不失鎖的高動(dòng)態(tài)特性，經(jīng)受軸向30000g 過載沖擊能正常工作，經(jīng)加固緩沖后滿足GJB573A-1998中相關(guān)要求。BDS/GPS高動(dòng)態(tài)接收機(jī)電氣接口要求如下。

（1）定位數(shù)據(jù)更新周期：10Hz。

（2）按照十六進(jìn)制格式輸出數(shù)據(jù)，1個(gè)起始位+8個(gè)數(shù)據(jù)位+無校驗(yàn)+1個(gè)停止位。波特率為115200bps，允許最大偏差為標(biāo)稱值的1.2%。

（3）通訊方式：串口，LV_TTL，雙向，速率為115200bps，無校驗(yàn)，該接口輸出默認(rèn)二進(jìn)制（Binary47B_1），發(fā)命令輸出標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183（$GPGGA、$GPRMC、$GPGSV），程序更新口，軟件升級(jí)接口。

（4）多字節(jié)傳送時(shí)，先低字節(jié)后高字節(jié)。

（5）坐標(biāo)系：位置信息，WGS84坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度和高度（橢球高）。速度信息，地理坐標(biāo)系下北、天、東的三維速度。

BDS/GPS高動(dòng)態(tài)接收機(jī)天線為陶瓷基板天線，頻率為1575.42MHz±1.023MHz（GPS），1561.098MHz±2.046MHz（北斗）。接收機(jī)外形尺寸為Φ38mm±0.2mm×8.6mm±0.2mm，接收機(jī)的外形結(jié)構(gòu)尺寸和公差要求如圖2所示。

圖2 BDS/GPS接收機(jī)外形尺寸及公差要求

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)選用美國(guó)Semtech公司FSK無線收發(fā)器SX1262，該收發(fā)器采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，具有體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。LoRa擴(kuò)頻技術(shù)使模塊在同樣的功耗條件下比其他無線方式通信距離擴(kuò)大3-5倍，實(shí)現(xiàn)了功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。由于LoRa可以同一信道上同時(shí)多信號(hào)解調(diào)的特性，在海平面上落點(diǎn)附近的不同地方設(shè)置中繼以達(dá)到增程的目的[1]。本定位回傳記錄裝置選用EBYTE公司開發(fā)的無線串口收發(fā)模塊，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 發(fā)射機(jī)、接收機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

接收機(jī)靈敏度與濾波器帶寬有下式關(guān)系：

Bn為濾波器帶寬（3倍調(diào)制碼率），KT0為-148dBm/Hz，對(duì)于FSK體制，若對(duì)誤碼率要求的指標(biāo)為10-5，則最低信噪比為14dB，靈敏度要求為-100dBm，接收機(jī)帶寬約為750kHz。實(shí)際接收機(jī)靈敏度設(shè)計(jì)指標(biāo)可優(yōu)于-90dBm。彈載發(fā)射功率主要受限于功耗、體積?？紤]到平均功耗，發(fā)射機(jī)功率設(shè)計(jì)為30dBm。

根據(jù)上述已分配指標(biāo)，若要滿足10km 通信距離。根據(jù)通信方程：

則發(fā)射天線和接收天線有效增益不得低于6dB，發(fā)射天線采用線極化，地面天線采用圓極化，考慮不圓度，極化損耗為5dB，系統(tǒng)安全余量設(shè)計(jì)為6dB，則要求發(fā)射天線和接收天線總增益為17dB。

發(fā)射天線根據(jù)系統(tǒng)分配尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，天線方向圖設(shè)計(jì)為前向、全向，天線形式采用微帶陣共形天線，具有較寬波瓣角，即在高空采用前后輻射，在靠近地面采用軸向全向輻射。共形天線數(shù)量由彈體尺寸決定，并盡可能減少單元數(shù)量以降低功率分配網(wǎng)絡(luò)損耗[2]。定位回傳記錄裝置發(fā)射機(jī)天線方向圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射機(jī)天線方向圖

地面接收機(jī)天線波瓣角寬度需盡可能覆蓋全彈道。使用被動(dòng)跟蹤伺服系統(tǒng)，在方位面上對(duì)子彈進(jìn)行跟蹤。要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，地面接收機(jī)天線需采用圓極化。采用拋物面天線，增益16dB，3dB波瓣角25度。

地面接收裝置噪聲系數(shù)主要由第一級(jí)電路噪聲系數(shù)及增益決定，地面接收裝置噪聲系數(shù)從后向前計(jì)算：

其中，換算成對(duì)數(shù)為2.2dB。

混頻器和濾波器均為無源器件，增益（插損）及為其噪聲系數(shù)，低噪放后噪聲系數(shù)為：

計(jì)算第一級(jí)噪聲系數(shù)，即指令接收裝置的噪聲系數(shù)為：

其中，換算成對(duì)數(shù)為4.7dB。

地面接收機(jī)天線通常與電路部分距離較遠(yuǎn)，所以采用有源天線。低噪放連接在天線輸出端，通過射頻電纜提供電源，降低射頻電纜對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)。地面接收機(jī)有源天線如圖4所示。

圖4 地面接收機(jī)有源天線

3 原理樣機(jī)

在基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)實(shí)用化原理樣機(jī)對(duì)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)行計(jì)算機(jī)程序開發(fā)同時(shí)確定系統(tǒng)工作時(shí)序，最后基于系統(tǒng)軟件仿真和半實(shí)物仿真平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真評(píng)估/優(yōu)化。調(diào)試BDS/GPS高動(dòng)態(tài)接收機(jī)模塊、記錄器模塊、發(fā)射機(jī)模塊、接收機(jī)模塊等，最后進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證[3]。定位回傳記錄裝置原理樣機(jī)如圖5所示。

圖5 定位回傳記錄裝置原理樣機(jī)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將定位回傳記錄裝置試制樣機(jī)進(jìn)行一次海上發(fā)射試驗(yàn)，試驗(yàn)后打撈試驗(yàn)彈，利用手持GPS裝置記錄打撈點(diǎn)的坐標(biāo)，和地面接收機(jī)接收到的最后一幀GPS信號(hào)解析坐標(biāo)比較，誤差距離為3.3m。如圖6所示為定位回傳記錄裝置GPS定位顯示圖。

圖6 定位回傳記錄裝置GPS 定位顯示

5 結(jié)語

采用BDS/GPS高動(dòng)態(tài)接收機(jī)可以對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄裝置落點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控距離不小于10Km，滿足10m定位精度要求，具有40g/s 加加速度不失鎖的高動(dòng)態(tài)特性，能承受3萬g發(fā)射過載沖擊，實(shí)用化原理樣機(jī)驗(yàn)證可行。