電磁干擾環(huán)境下的引信彈道數(shù)據(jù)遙測方法

安曉紅，王鵬釗，顧 強(qiáng)

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引言

遙測技術(shù)是一種區(qū)別于硬線測試技術(shù)和存儲測試技術(shù)的參數(shù)獲取方式[1]，它是通過彈上發(fā)射裝置進(jìn)行被測參數(shù)的采集、調(diào)制和發(fā)射，通過地面接收裝置進(jìn)行解調(diào)、記錄和處理的一種數(shù)據(jù)遙測手段[2-3]。

雖然我國引信遙測技術(shù)的應(yīng)用研究起步晚于國外，但至今也已發(fā)展較為成熟[4]。國內(nèi)研制的8318無線電遙測系統(tǒng)，成功測得全彈道兩種彈丸的轉(zhuǎn)速曲線和某引信壓電陶瓷電壓建立曲線[5]；文獻(xiàn)[6]中的小型遙測裝置，成功獲取了膛內(nèi)和解爆拋撒及彈丸飛行各階段引信部位的三軸加速度信號，但都更適用于測試彈丸出炮口后的參數(shù)，炮膛發(fā)射過程中復(fù)雜的電磁環(huán)境會干擾無線電信號的傳輸，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包情況。

本文針對此問題，提出一種以SX1280無線收發(fā)模塊為基礎(chǔ)，STM32f407ZGT6最小系統(tǒng)板為控制核心的引信數(shù)據(jù)近程遙測方法，不僅能有效獲取引信膛內(nèi)數(shù)據(jù)，而且出炮口后外彈道數(shù)據(jù)也能實時獲取，為科研人員分析引信失效故障原因和引信設(shè)計改進(jìn)，提供一種獲取數(shù)據(jù)的參考方法。

1 遙測方案確定

遙測系統(tǒng)由彈載發(fā)射裝置和地面接收裝置組成，彈載發(fā)射裝置由傳感器、單片機(jī)、SX1280模塊、發(fā)射天線、電源穩(wěn)定供電模塊和上位機(jī)組成。其中上位機(jī)僅在系統(tǒng)調(diào)試階段使用，系統(tǒng)實際應(yīng)用中無需上位機(jī)連接；地面接收端由地面接收天線、SX1280模塊、單片機(jī)和上位機(jī)組成。遙測系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 遙測系統(tǒng)總體組成框圖Fig.1 Block diagram of the overall composition of the telemetry system

1.1 SX1280模塊調(diào)制方式選定

SX1280模塊為工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計[7]，采用半雙工方式，工作在2.4～2.45 GHz頻段，具有傳輸速率較高的SPI通信協(xié)議，為本文方法研究提供了基礎(chǔ)保障。該模塊內(nèi)部集成三種調(diào)制方式，其調(diào)制特點如表1所示，使用結(jié)合了前向糾錯技術(shù)和卷積編解碼技術(shù)的FLRC調(diào)制調(diào)制解調(diào)器，選用具有最大發(fā)射功率的2G4M27S射頻模塊進(jìn)行方法驗證。

表1 三種調(diào)制方式及其特點Tab.1 Three modulation methods and their characteristics

不同數(shù)據(jù)傳輸速率匹配不同調(diào)制帶寬，并不是所有帶寬都可以與傳輸速率自由組合，原始傳輸速率與帶寬組合如表2所示，實際傳輸速率為原始傳輸速率與CR的乘積。

表2 傳輸速率BR和帶寬BW的組合Tab.2 Combination of transmission rate BR and bandwidth

FLRC調(diào)制解調(diào)器通過分別設(shè)置CR=1/2、CR=3/4和CR=1控制前向糾錯編碼率。為得到較大的有效傳輸速率，通過軟件代碼設(shè)置CR=1，Rb=1.3 Mb/s，BW=1.2 MHz進(jìn)行方法驗證。

1.2 單片機(jī)選定

出于成本低、操作方便和開發(fā)板集成度高考慮，選用具有168 MHz主頻、1 024 KB Flash的STM32F407ZGT6最小系統(tǒng)板[8]為核心控制單元。

1.3 收發(fā)天線選定

由于SX1280模塊上集成了PCB天線和IPEX天線接口，所以可靈活選用天線。

彈載發(fā)射端天線：由于板載PCB天線信號會被彈體遮蔽，故使用微帶貼片天線。將其安裝于彈頭位置，并加裝天線罩以承受發(fā)射時炮膛內(nèi)高溫、高過載等復(fù)雜環(huán)境。最終選用工作在700～2 700 MHz頻段，增益為10 DBI，阻抗為50 Ω，駐波比小于1.8的FPC天線[9]。

地面接收端天線：地面接收端的天線不受空間限制，可使用滿足阻抗匹配要求的任意尺寸天線。本著天線增益越大，傳輸距離越遠(yuǎn)考慮，選用工作在2 400～2 500 MHz頻段，增益為30 DBI，駐波比小于1.8，阻抗為50 Ω的2.4 G天線[10]。

1.4 傳感器選定

選用六軸MPU6050模塊。該模塊整合三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器，同時帶有溫度傳感器[11]，滿足該方法驗證要求。

1.5 供電模塊選定

出于實驗室內(nèi)和室外場地遙測方法測試需求考慮，選用由3節(jié)18650鋰電池組成的12 V鋰電池組[12]，其具有體積小、移動方便的特點，便于在室外場合移動。

2 遙測方法

該遙測系統(tǒng)由彈載發(fā)射裝置和地面接收裝置組成，需實現(xiàn)在發(fā)射信號屏蔽的情況下有效接收引信測試數(shù)據(jù)，當(dāng)炮彈發(fā)射出炮口一段距離后，將信號屏蔽時的測試數(shù)據(jù)回傳到地面接收端，同時不能干擾實時數(shù)據(jù)的同步接收?；谏鲜鲞b測方法，本文遙測系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 遙測系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of telemetry system

彈載發(fā)射端：當(dāng)射頻信號被屏蔽，不能檢測到接收端發(fā)出的標(biāo)志位[1]=8時，將測試數(shù)據(jù)循環(huán)記錄50個周期，一次性存儲在Flash中，F(xiàn)lash閃存可以起到數(shù)據(jù)斷電不丟失的作用；恢復(fù)供電或恢復(fù)信號接收，檢測到標(biāo)志位[1]=8時，停止數(shù)據(jù)存入Flash操作，進(jìn)行Flash讀取操作，每個數(shù)據(jù)周期Flash存儲的數(shù)據(jù)以36位為一組進(jìn)行讀取，在實時測試數(shù)據(jù)之后，添加Flash數(shù)據(jù)標(biāo)志位55，并將36位讀取數(shù)據(jù)附加其后，一起發(fā)送出去，數(shù)據(jù)位數(shù)情況如表1中位0至位63所示；當(dāng)Flash中讀取的數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成后，不再進(jìn)行Flash相關(guān)操作，彈載發(fā)射端恢復(fù)到實時發(fā)送測試數(shù)據(jù)狀態(tài)，實時測試數(shù)據(jù)后不再添加標(biāo)志位，數(shù)據(jù)位數(shù)分布情況如表1中位0至位26所示。

表1 64位測試數(shù)據(jù)分布情況Tab.1 Distribution of 64 bit test data

地面接收端：設(shè)備上電初始化完成，地面接收端與彈載發(fā)射端數(shù)據(jù)標(biāo)志位匹配成功之后，首先進(jìn)行循環(huán)接收檢測，當(dāng)檢測到來自彈載發(fā)射端的發(fā)送控制位[0]=1時，地面接收端發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志位[1]=8，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)長度位檢測，檢測到接收到的數(shù)據(jù)長度位[1]=27或64時，串口打印接收到的所有數(shù)據(jù)。

所有參數(shù)均以整數(shù)位顯示，如為負(fù)值，在前置1；為正值，在前置0。[0]位：設(shè)置1表示發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)置2表示應(yīng)答成功。[1]位：設(shè)置數(shù)據(jù)長度為27或64。[2]位：從1開始周期計數(shù)。[3][4][5]位：溫度值，精度為0.1，占據(jù)三個長度，例如溫度24.3 ℃對應(yīng)[3]=0、[4]=24、[5]=3。三軸歐拉角度各占據(jù)三個長度，精度為0.1，例如俯仰角-1.1，橫滾角12.2，對應(yīng)[6]=1，[7]=1，[8]=1,[9]=0，[10]=12，[11]=2。三軸加速度和三軸陀螺儀各占據(jù)兩個長度，精度為整數(shù)。

3 遙測方法測試

使用鐵盒將彈載發(fā)射端的天線蓋上，模擬發(fā)射端射頻信號被屏蔽的環(huán)境，在室外人員稀少的空曠環(huán)境中進(jìn)行測試。串口打印均使用sscom5串口調(diào)試軟件進(jìn)行，下面僅截取部分狀態(tài)圖進(jìn)行介紹。

3.1 遙測系統(tǒng)工作狀態(tài)驗證

3.1.1 彈載發(fā)射端

當(dāng)彈載發(fā)射端的射頻信號被屏蔽，接收端不能有效接收到射頻信號時，發(fā)射端進(jìn)行測試數(shù)據(jù)循環(huán)記錄操作，原始數(shù)據(jù)如圖3所示，當(dāng)記錄到第50組時，50組數(shù)據(jù)一次性存入Flash中，F(xiàn)lash存入數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖3 原始數(shù)據(jù)Fig.3 Raw data

圖4 存入Flash數(shù)據(jù)Fig.4 Store Flash data

當(dāng)接收端接收到射頻信號并匹配成功時，發(fā)射裝置不再進(jìn)行Flash數(shù)據(jù)存入操作，只進(jìn)行Flash數(shù)據(jù)讀取操作，每個數(shù)據(jù)周期依次從Flash中讀取36位，如圖5所示。

圖5 Flash中讀取36位數(shù)據(jù)Fig.5 Read 36 bit data in Flash

當(dāng)Flash數(shù)據(jù)全部讀取完成后，繼續(xù)實時發(fā)送測試數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 實時測試數(shù)據(jù)Fig.6 Real-time test data

3.1.2 地面接收端

當(dāng)接收端與發(fā)射端射頻信號通信成功，數(shù)據(jù)位數(shù)匹配成功時，接收端最先接收到的是帶有Flash讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，如圖7所示。

圖7 Flash讀取數(shù)據(jù)接收圖Fig.7 Flash read data receiving diagram

當(dāng)Flash存儲數(shù)據(jù)全部讀取并發(fā)送完成后，恢復(fù)到測試數(shù)據(jù)實時接收狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 實時測試數(shù)據(jù)接收圖Fig.8 Real-time test data receiving diagram

綜上所示，經(jīng)過驗證和數(shù)據(jù)對比，接收端接收到的測試數(shù)據(jù)與發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)均一一對應(yīng)，準(zhǔn)確無誤，該方法可有效解決炮彈引信數(shù)據(jù)靶場遙測時，接收端因炮口復(fù)雜電磁干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)包不能及時接收的問題。

3.2 誤包率測試

誤包率為接收端丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量與接收端應(yīng)接收數(shù)據(jù)包總數(shù)量的比值。接收端丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量等于發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)減去接收端接收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)，接收端應(yīng)接收總數(shù)據(jù)包數(shù)等于發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)。

因SX1280模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以8位傳輸，最大計數(shù)至255，所以在彈載發(fā)送端設(shè)置一個16位的數(shù)據(jù)包計數(shù)值，使其與8位計數(shù)值同步計數(shù)。地面接收端接收到的每組數(shù)據(jù)包的第3位為數(shù)據(jù)包數(shù)，將其與發(fā)送端的數(shù)據(jù)包同步計數(shù)值對照，可得出16位的數(shù)據(jù)包數(shù)值，該值為發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)，也稱接收端應(yīng)接收數(shù)據(jù)包總數(shù)量。

通過軟件判決的方式，將數(shù)據(jù)包數(shù)與上一組數(shù)據(jù)包數(shù)進(jìn)行對比，如果本組數(shù)據(jù)包數(shù)不等于上一組數(shù)據(jù)包數(shù)加1，則出現(xiàn)接收漏包或重復(fù)接收現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，如果本組數(shù)據(jù)包數(shù)等于上一組數(shù)據(jù)包數(shù)，記為數(shù)據(jù)包重復(fù)接收一次；如果本組數(shù)據(jù)包數(shù)與上一組數(shù)據(jù)包數(shù)差值為2，則出現(xiàn)接收漏包現(xiàn)象，如果差值為3，則連續(xù)漏包兩組。接收端漏包總數(shù)除以接收端16位計數(shù)的應(yīng)接收總數(shù)據(jù)包數(shù)，得出遙測系統(tǒng)誤包率。

發(fā)送端16位同步數(shù)如圖9所示，接收端漏包總數(shù)和重復(fù)總數(shù)如圖10所示。

圖9 發(fā)送端16位同步數(shù)Fig.9 16 bit synchronization data at the sender

圖10 接收端漏包總數(shù)和重復(fù)總數(shù)Fig.10 The total number of missed packets and the total number of duplicates at the receiving end

如圖10中接收數(shù)據(jù)包數(shù)為第244組，對應(yīng)圖9中發(fā)射端16位同步計數(shù)值500，得出接收端漏包總數(shù)為0個，重復(fù)總數(shù)為3個，即漏包率為0，重復(fù)率為0.6%。

3.3 傳輸距離測試

設(shè)置CR=1，分別在傳輸速率為2.6、2.08、1.3和1.04 Mb/s條件下進(jìn)行測試，測試誤碼率在1%以下為最優(yōu)通信距離，誤碼率在10%以下為最遠(yuǎn)通信距離。

發(fā)射端在前方人為距離移動，發(fā)射端和接收端數(shù)據(jù)傳輸距離使用百度衛(wèi)星地圖記錄兩端最遠(yuǎn)傳輸距離。在相同環(huán)境下，分別進(jìn)行四種傳輸速率條件下的數(shù)十次測試，最終得出傳輸距離和誤碼率關(guān)系，測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同傳輸速率下傳輸距離和誤碼率關(guān)系Fig.11 The relationship between transmission distance and bit error rate under different transmission rates

測試結(jié)果表明：2.6 Mb/s傳輸速率時最優(yōu)傳輸距離接近320 m，最遠(yuǎn)傳輸距離接近570 m；2.08 Mb/s傳輸速率時最優(yōu)傳輸距離接近410 m，最遠(yuǎn)傳輸距離接近640 m；1.3 Mb/s傳輸速率時最優(yōu)傳輸距離接近510 m，最遠(yuǎn)傳輸距離接近900 m；1.04 Mb/s時最優(yōu)傳輸距離接近590 m，最遠(yuǎn)傳輸距離接近1 000 m。

綜上可知，設(shè)置有效傳輸速率為1.3 Mb/s，地面接收裝置每700 m左右分段布置時，可有效可靠地接收彈載引信測試數(shù)據(jù)，達(dá)到最佳測試效果。

4 結(jié)論

本文提出電磁干擾環(huán)境下的引信數(shù)據(jù)遙測方法。該方法從軟件層面進(jìn)行設(shè)計，依次對炮彈出炮口的射頻信號被屏蔽，接收端不能有效接收射頻信號階段，出炮口一段距離，恢復(fù)射頻信號通信階段，F(xiàn)lash存儲數(shù)據(jù)全部讀取完成階段，進(jìn)行了一系列遙測系統(tǒng)工作邏輯設(shè)計和實現(xiàn)。試驗測試結(jié)果表明，該遙測方法可有效解決炮口電磁干擾環(huán)境下射頻信號被屏蔽時，引信彈道數(shù)據(jù)不能完整有效接收的問題。對炮彈引信數(shù)據(jù)靶場遙測系統(tǒng)的功能進(jìn)行了拓展，為電磁干擾環(huán)境下獲取引信彈道數(shù)據(jù)提供了有效方法。