基于UWB定位的艦炮檢靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究?

劉志坤 曲 毅 張建強(qiáng) 劉 洋

（1.海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）（2.海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心 北京 100071）

1 引言

艦炮射擊檢靶系統(tǒng)的主要任務(wù)是確定炮彈落點(diǎn)位置，獲取脫靶量信息，進(jìn)而為射擊成績(jī)?cè)u(píng)定提供重要依據(jù)。傳統(tǒng)的艦炮射擊檢靶方式主要有雷達(dá)測(cè)量、光電測(cè)量及人工事后檢靶三種。它們各自存在較明顯的缺陷:對(duì)于雷達(dá)測(cè)量，由于炮彈RCS面積小、飛行速度快，導(dǎo)致漏檢率較高、精度差；光電測(cè)量受海上氣象環(huán)境因素影響大、作用距離近；人工事后檢靶實(shí)時(shí)性差、效率低、主觀因素大。

圍繞艦炮射擊的高效、準(zhǔn)確檢靶問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量工作:文獻(xiàn)［1］建立了一種基于多個(gè)聲學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)的彈丸落點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，并通過(guò)模擬試驗(yàn)和靜爆試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試，但對(duì)處理信號(hào)的信噪比要求較高。文獻(xiàn)［2］提出了一種基于雙站交會(huì)的脫靶量測(cè)量方法，將高速攝像系統(tǒng)布置在靶船的艏艉，實(shí)現(xiàn)方位360°周視成像，但作用距離較近。文獻(xiàn)［3］提出利用多個(gè)聲學(xué)基陣，通過(guò)測(cè)量超聲速武器飛行過(guò)程中產(chǎn)生的激波確定目標(biāo)位置，但僅適用于落點(diǎn)處速度超過(guò)聲速的目標(biāo)，這與大部分艦炮射擊實(shí)際情況不符；文獻(xiàn)［4］采用兩類(lèi)傳感器，利用聲波在固體和氣體中傳播的時(shí)間差進(jìn)行靶場(chǎng)定位，但是系統(tǒng)較復(fù)雜，受環(huán)境因素影響大?？傊?，這些方法仍普遍采取了非協(xié)作式定位體制，其共同缺點(diǎn)是受目標(biāo)特性變化和環(huán)境因素（海雜波、噪聲等）影響較大，檢靶的可靠性和精度難以保證。

與非協(xié)作式檢靶體制相對(duì)應(yīng)的是協(xié)作式檢靶手段，通過(guò)在彈上加裝信號(hào)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并向靶區(qū)發(fā)送，地面站通過(guò)接收信號(hào)解算彈丸位置，從而實(shí)現(xiàn)檢靶。這種工作方式的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度受被測(cè)目標(biāo)的影響小，易實(shí)現(xiàn)高精度、遠(yuǎn)距離檢靶，缺點(diǎn)是需要在彈上有限空間加裝新設(shè)備。此外，彈丸發(fā)射后高過(guò)載、高旋轉(zhuǎn)會(huì)造成器件損壞。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)和芯片抗過(guò)載技術(shù)的飛速發(fā)展，經(jīng)過(guò)特殊處理的芯片能夠承受20000G甚至更高過(guò)載，這使得協(xié)作式檢靶手段成為可能。

本文提出了一種基于超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）定位的協(xié)作式艦炮射擊檢靶系統(tǒng)，在彈丸引信上集成UWB芯片，炮彈射出后，向靶區(qū)發(fā)射UWB標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線信號(hào)，靶區(qū)設(shè)備接收信號(hào)，采用時(shí)差定位算法（Time Difference of Arrival，TDOA）實(shí)現(xiàn)對(duì)彈丸的實(shí)時(shí)精確定位。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1UWB定位的特點(diǎn)

所謂UWB信號(hào)，是指相對(duì)帶寬大于20%或者總帶寬不小于500MHz的信號(hào)［5］，即

式中，fH、fL分別為功率較峰值功率下降10dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的高端頻率和低端頻率，fH-fL表示信號(hào)的總帶寬，fc表示信號(hào)的中心頻率。

與其他無(wú)線電信號(hào)相比，UWB信號(hào)用于定位有以下優(yōu)勢(shì)［6～7］:

1）系統(tǒng)功耗低

UWB不使用傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)的載波，只在需要時(shí)發(fā)出瞬時(shí)脈沖，從而降低了系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的持續(xù)工作時(shí)間，滿(mǎn)足了彈載設(shè)備的低功耗要求。

2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

在發(fā)射端，UWB設(shè)備可以直接采用脈沖小型激勵(lì)天線，不需要上下變頻，不需要功率放大器與混頻器；在接收端，UWB設(shè)備不需要中頻處理。因此系統(tǒng)的復(fù)雜程度大為降低。

3）定位精度高

UWB設(shè)備發(fā)出的瞬時(shí)脈沖脈寬極窄，分辨力高，在理論上可以達(dá)到厘米級(jí)甚至更高的測(cè)距精度，從而為實(shí)現(xiàn)高精度定位提供了可能。

4）信號(hào)穿透力強(qiáng)

UWB信號(hào)具有很強(qiáng)的穿透障礙物的能力，這一定程度上保證了其在復(fù)雜環(huán)境下工作的可靠性，滿(mǎn)足了彈載設(shè)備環(huán)境封閉的使用需求。

綜上所述，UWB定位系統(tǒng)能夠較好地適應(yīng)彈上空間小、能源有限、環(huán)境封閉等不利條件，具備實(shí)現(xiàn)高精度檢靶的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)組成及功能

基于UWB的艦炮射擊檢靶系統(tǒng)主要由信標(biāo)彈、靶區(qū)定位系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和輔助設(shè)施構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1）信標(biāo)彈

信標(biāo)彈是對(duì)制式炮彈引信進(jìn)行改裝、用于射擊訓(xùn)練與考核評(píng)估的一種訓(xùn)練彈。該彈在保持原有彈種基本不變的基礎(chǔ)上，僅對(duì)彈丸引信進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。具體改變?yōu)閷⒃须娮右诺碾娐凡考难b為UWB信標(biāo)，發(fā)射用于精確定位的UWB信號(hào)。

2）靶區(qū)定位系統(tǒng)

該系統(tǒng)由多個(gè)定位基站、同步控制器及定位處理機(jī)組成。其中，定位基站布設(shè)于靶區(qū)，負(fù)責(zé)接收信標(biāo)彈發(fā)出的UWB信號(hào)；同步控制器協(xié)調(diào)整個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其主要功能是向所有定位基站發(fā)送同步控制命令，協(xié)調(diào)定位時(shí)序；發(fā)送定位系統(tǒng)標(biāo)識(shí)信號(hào)喚醒臨空的信標(biāo)彈，并安排信標(biāo)彈的定位時(shí)序；接收各臨空信標(biāo)彈傳輸數(shù)據(jù)；匯集各定位基站定位數(shù)據(jù)，傳輸?shù)蕉ㄎ惶幚頇C(jī)。定位處理機(jī)采用時(shí)差定位方法解算信標(biāo)彈的位置。

3）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

該系統(tǒng)由超短波通信子系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星通信子系統(tǒng)組成。其中，超短波通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靶區(qū)定位信息向射擊艦艇的實(shí)時(shí)傳輸。北斗衛(wèi)星通信子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)超視距條件下的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，必要時(shí)可實(shí)現(xiàn)靶區(qū)定位信息與岸基指揮所之間的傳遞。

4）輔助設(shè)施

2.3 系統(tǒng)工作流程

如圖2所示，基于UWB定位的艦炮射擊檢靶系統(tǒng)工作流程如下。

步驟1:地面控制基站借助高精度時(shí)間同步技術(shù)，通過(guò)電纜延遲測(cè)算、統(tǒng)一授時(shí)，完成各定位基站間的精確時(shí)鐘同步；

步驟2:完成同步之后，控制基站通過(guò)2.4GHz的無(wú)線通信信道，向空中來(lái)襲炮彈上的信標(biāo)發(fā)送“開(kāi)始定位”指令；

步驟3:彈載信標(biāo)收到“開(kāi)始定位”指令后，發(fā)送一組UWB脈沖序列；

步驟4:信標(biāo)發(fā)射的UWB脈沖序列被地面各個(gè)定位基站接收，各個(gè)基站通過(guò)UWB信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，根據(jù)自身已同步的時(shí)鐘，確定該UWB脈沖序列信號(hào)的到達(dá)時(shí)間；

步驟5:各個(gè)定位基站將到達(dá)時(shí)間值通過(guò)有線電纜傳輸給控制基站，控制基站統(tǒng)一處理后即可得到炮彈信標(biāo)發(fā)射的UWB信號(hào)到達(dá)各個(gè)基站的時(shí)間差；

步驟6:根據(jù)多組時(shí)間差，利用時(shí)差定位算法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)彈載信標(biāo)的精確定位，從而確定彈丸落點(diǎn)位置。

同課異構(gòu)必須要考慮文本的題材和體裁特點(diǎn)。教師常常會(huì)依據(jù)文體特征設(shè)計(jì)課堂，因?yàn)檫@樣最便于學(xué)生直觀、感性地了解、體驗(yàn)學(xué)習(xí)的內(nèi)容。比如，詩(shī)歌是用來(lái)誦讀、吟唱的，劇本是提供表演的，像這樣文體特征鮮明的文本，在異構(gòu)上也是可以做文章的。比如，講授《雷雨》這樣的劇本，就可以嘗試以下兩種同課異構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

圖2 檢靶系統(tǒng)工作流程示意圖

2.4 定位算法

本檢靶系統(tǒng)采用基于時(shí)差的目標(biāo)定位算法［8～9］。該算法通過(guò)測(cè)量目標(biāo)信號(hào)到達(dá)不同定位基站的時(shí)間差，利用雙曲線交叉進(jìn)行定位。其優(yōu)點(diǎn)是只需定位基站之間保持時(shí)鐘同步，不要求定位基站與被測(cè)對(duì)象之間的嚴(yán)格時(shí)鐘同步，也不需要知道目標(biāo)信號(hào)的發(fā)出時(shí)間，使系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)化，同時(shí)具有較高的定位精度。

以二維平面上的時(shí)差定位問(wèn)題為例，如圖3所示，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)分別為三個(gè)定位基站的坐標(biāo)，(x,y)為目標(biāo)的位置坐標(biāo)。同一時(shí)刻的目標(biāo)信號(hào)到達(dá)三個(gè)定位基站，由此可測(cè)得2組有效時(shí)間差Δt12和Δt13，根據(jù)距離公式，可得到TDOA定位方程組為

式中，c是目標(biāo)信號(hào)的傳播速度，解此方程組即可得到目標(biāo)的位置。需要指出的是，該方程組通常會(huì)解出兩組解，即一組真實(shí)解，一組虛假解，可以通過(guò)物理事實(shí)（如目標(biāo)信號(hào)的入射方向）或者增加定位基站數(shù)量的方式消除［10］。

圖3 二維時(shí)差定位原理圖

通常，三個(gè)定位基站采用TDOA算法，可以獲得二維平面內(nèi)的目標(biāo)位置坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)二維定位；不在一個(gè)平面內(nèi)的四個(gè)定位基站可以實(shí)現(xiàn)三維立體定位，更多的定位基站則可通過(guò)最小二乘估計(jì)、Chan氏算法等利用冗余信息進(jìn)一步提高定位精度［11］。

3 定位精度分析

影響本系統(tǒng)定位精度的因素主要包括時(shí)差測(cè)量誤差、定位基站自身位置測(cè)量誤差兩個(gè)方面。

3.1 時(shí)差測(cè)量誤差

時(shí)差測(cè)量誤差是引起目標(biāo)定位誤差最主要的因素，這是由于UWB信號(hào)的傳播速度為3×108m/s，由式（2）、（3）可知，即使是非常小的時(shí)間差，轉(zhuǎn)化為距離后都會(huì)變得很大，相關(guān)研究表明，對(duì)于電磁波信號(hào)而言，納秒級(jí)（10-9s）的時(shí)差測(cè)量誤差即可導(dǎo)致數(shù)米的定位誤差［12］。引發(fā)時(shí)差測(cè)量誤差的因素有:

1）UWB信號(hào)到達(dá)定位基站接收天線后，進(jìn)入基站檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間誤差Δt1

對(duì)于Δt1，可通過(guò)上百次時(shí)間檢驗(yàn)平均得到，經(jīng)測(cè)量，該誤差小于200ps。

2）檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間誤差Δt2

由于檢測(cè)時(shí)間方法的特有屬性，測(cè)量時(shí)間會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓约盎鶞?zhǔn)時(shí)鐘的穩(wěn)定性變化而產(chǎn)生誤差Δt2。降低該誤差的途徑有通過(guò)器件優(yōu)選和良好的電路匹配設(shè)計(jì)，改善電路抖動(dòng)誤差；增加A/D的位數(shù)，減小采樣誤差。經(jīng)過(guò)處理后，該誤差為±100ps左右。

3）同步時(shí)鐘的相對(duì)誤差Δt3

同步時(shí)鐘由超高速邏輯器件以及高速FPGA、DSP，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的算法產(chǎn)生。但由于器件本身帶來(lái)的時(shí)鐘抖動(dòng)，同步時(shí)鐘也存在誤差Δt3，經(jīng)過(guò)測(cè)量，該誤差約為±80ps。

基于以上對(duì)時(shí)差測(cè)量產(chǎn)生誤差的分析可知，用于TDOA算法解算的時(shí)差測(cè)量誤差Δt可以控制在400ps內(nèi)，即時(shí)差測(cè)量誤差小于0.4ns。換算為距離誤差為

即在此時(shí)差誤差下，TDOA算法的定位精度可以控制在亞米級(jí)。

3.2 定位基站自身位置測(cè)量誤差

TDOA算法中需要確定定位基站自身位置坐標(biāo)，該信息是通過(guò)相關(guān)設(shè)備測(cè)量獲取的，受測(cè)量設(shè)備固有精度限制，存在測(cè)量誤差，進(jìn)而影響目標(biāo)定位精度。

激光測(cè)距儀和差分GPS設(shè)備是常用的測(cè)量定位基站位置手段。其中，激光測(cè)距儀的誤差在0.5m左右，差分GPS設(shè)備的誤差則小于0.1m。此外，可以通過(guò)多次測(cè)量求平均值的方法，進(jìn)一步降低測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)誤差。

4 實(shí)測(cè)及結(jié)果分析

圖4 基站布設(shè)示意圖

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。如圖4所示，在地面布設(shè)3個(gè)定位基站（如圖中“▲”所示），以基站A和基站B的連線為X軸，其中點(diǎn)為原點(diǎn)定位建立相對(duì)坐標(biāo)系，基站坐標(biāo)分別為（-50m，0）、（50m，0）、（0，-50m）。在Y軸（過(guò)原點(diǎn)和定位基站C的連線）上，設(shè)置不同距離的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)（如圖中“☆”所示），在不同測(cè)試點(diǎn)安放UWB信標(biāo)，測(cè)試系統(tǒng)是否有穩(wěn)定的定位解算結(jié)果，從而對(duì)不同距離下系統(tǒng)定位精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

試驗(yàn)中，采用均方誤差作為系統(tǒng)定位精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算式如下:

式中，ε是測(cè)量值與真實(shí)值間的誤差，n是測(cè)量次數(shù)，本次試驗(yàn)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)定位100次，取平均值作為最終的定位結(jié)果。

第一次試驗(yàn)采用激光測(cè)距儀確定定位基站位置，系統(tǒng)在不同距離上對(duì)UWB信標(biāo)的定位結(jié)果如表1所示。

表1 第一次定位結(jié)果

為了進(jìn)一步提高定位精度，同時(shí)檢驗(yàn)定位基站位置誤差對(duì)信標(biāo)定位精度的影響，第二次試驗(yàn)采用高精度的差分GPS設(shè)備確定定位基站位置，系統(tǒng)在不同距離上對(duì)UWB信標(biāo)的定位結(jié)果如表2所示。

表2 第二次定位結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明:

1）本系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌嚯x上的多個(gè)測(cè)試信標(biāo)進(jìn)行定位，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。隨著UWB信標(biāo)與觀測(cè)區(qū)域距離的增加，定位誤差不斷加大，這是由于采用TDOA定位算法時(shí)，在定位基站陣元間距一定的前提下，目標(biāo)越遠(yuǎn)，對(duì)于接收信號(hào)的分辨力越差，時(shí)差測(cè)量相對(duì)誤差越大，從而導(dǎo)致定位誤差增大。

2）定位基站自身坐標(biāo)的測(cè)量誤差對(duì)UWB信標(biāo)定位精度有較大影響，第一次定位時(shí)定位基站自身位置測(cè)量誤差在0.5m左右，第二次定位時(shí)定位基站自身位置測(cè)量誤差小于0.1m。對(duì)比表1和表2的數(shù)據(jù)，第一次定位的均方誤差明顯超過(guò)第二次，且隨著信標(biāo)距離的增加而擴(kuò)大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須利用差分GPS等高精度定位設(shè)備，對(duì)定位基站坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量和標(biāo)校。

3）當(dāng)UWB信標(biāo)距離觀測(cè)區(qū)域靶區(qū)較近時(shí)（距離靶區(qū)坐標(biāo)原點(diǎn)100m以?xún)?nèi)），定位均方誤差小于2m，大大優(yōu)于目前普遍采用的雷達(dá)、光電等非協(xié)作式檢靶設(shè)備精度指標(biāo)（10m左右）。當(dāng)信標(biāo)距離觀測(cè)區(qū)域靶區(qū)較遠(yuǎn)時(shí)（距離靶區(qū)坐標(biāo)原點(diǎn)400m以外），定位值的均方誤差雖然會(huì)超過(guò)10m，但由于當(dāng)炮彈落點(diǎn)超過(guò)靶區(qū)400m時(shí)，其射擊成績(jī)無(wú)效，此距離上的目標(biāo)并非檢靶系統(tǒng)關(guān)注的觀測(cè)對(duì)象，因此，系統(tǒng)檢靶精度可以保障。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于UWB定位的協(xié)同式艦炮射擊檢靶系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和各部分功能，規(guī)劃了系統(tǒng)工作流程，對(duì)影響定位精度的各項(xiàng)因素進(jìn)行了分析，并通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和定位精度。較之現(xiàn)有艦炮射擊檢靶手段，該系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的定位精度大為提高，為艦炮射擊檢靶提供了一種可行的新思路，具有較強(qiáng)的軍事價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。