秦亮

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南　洛陽　471009）

一種地面對(duì)靶發(fā)射試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)分析

秦亮

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009）

空空導(dǎo)彈研制過程需要進(jìn)行一系列地面對(duì)靶發(fā)射試驗(yàn)，以解決導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的截獲跟蹤能力。傳統(tǒng)的地面引導(dǎo)系統(tǒng)使用高精度雷達(dá)，這種雷達(dá)波束很窄，地面試驗(yàn)中雷達(dá)一旦跟蹤過程出現(xiàn)丟失目標(biāo)無法引導(dǎo)的情況，就會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)無法進(jìn)行。本文利用靶機(jī)下傳的GPS信息，通過GPS地面接收系統(tǒng)接收和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)處理后，形成引導(dǎo)地面發(fā)射系統(tǒng)所需的俯仰、方位和導(dǎo)彈所需的飛行任務(wù)。該方法省去了傳統(tǒng)所必須的雷達(dá)，并且徹底解決了小目標(biāo)、超視距地面靶試中雷達(dá)無法穩(wěn)定跟蹤的問題，從而大大提高了試驗(yàn)效率和試驗(yàn)結(jié)果的有效性，節(jié)約了試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。

空空導(dǎo)彈；炮瞄雷達(dá)；飛行任務(wù)；坐標(biāo)變換；GPS靶機(jī)

空空、地空導(dǎo)彈研制過程中需要在靶場(chǎng)進(jìn)行大量的地面對(duì)靶發(fā)射試驗(yàn)，以檢驗(yàn)產(chǎn)品研制各個(gè)階段的技術(shù)狀態(tài)，該試驗(yàn)的前提是必須保持地面跟蹤設(shè)備對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定截獲，以完成給產(chǎn)品裝訂飛行任務(wù)等一系列操作［1］。傳統(tǒng)的地面對(duì)靶發(fā)射試驗(yàn)是使用一種高精度炮瞄雷達(dá)為導(dǎo)彈指引目標(biāo)，而這種雷達(dá)波束很窄，不具備大范圍自動(dòng)搜索功能［2］，實(shí)際使用中需要目標(biāo)搜索雷達(dá)完成目標(biāo)的搜索和截獲，如圖1所示。隨著模擬隱身目標(biāo)的小型無人靶機(jī)技術(shù)的成熟和在地面對(duì)靶發(fā)射試驗(yàn)中的應(yīng)用，給地面搜索和截獲雷達(dá)提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，在試驗(yàn)中一旦目標(biāo)丟失，很難再次跟蹤截獲，造成了大量的人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)和試驗(yàn)的失敗。

本文就是利用日益廣泛使用的GPS全球定位技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于GPS的全新地面對(duì)靶發(fā)射試驗(yàn)方法，來取代傳統(tǒng)的基于雷達(dá)的地面對(duì)靶發(fā)射系統(tǒng)，為飛行試驗(yàn)節(jié)約了時(shí)間和成本，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1　傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)組成圖

1　方案設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)組成及工作原理

該方法與傳統(tǒng)的基于雷達(dá)的地面對(duì)靶發(fā)射控制系統(tǒng)有所不同，它主要有靶機(jī)GPS發(fā)射系統(tǒng)，地面GPS接收系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，地面發(fā)射系統(tǒng)等組成，如圖2所示。其中，靶機(jī)GPS發(fā)射系統(tǒng)主要包括安裝在靶機(jī)上的GPS接收天線、GPS接收機(jī)、功率放大器、數(shù)傳電臺(tái)以及全向發(fā)射天線等，它主要實(shí)現(xiàn)靶機(jī)GPS信號(hào)的接收、放大和發(fā)送。地面接收系統(tǒng)包括接收天線、功率放大器、數(shù)傳電臺(tái)和射頻線等，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)靶機(jī)發(fā)射的GPS信息的接收和射頻到基帶的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要后數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、總線接口以及處理軟件組成，其中數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，用于獲取發(fā)射系統(tǒng)原點(diǎn)的GPS位置，通過專用的數(shù)據(jù)處理軟件把WGS-84系下的靶機(jī)GPS位置（經(jīng)度L、緯度B、海高H）轉(zhuǎn)換成空間直角坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)（X，Y，Z），再轉(zhuǎn)換成導(dǎo)彈所需要的慣性系下的信息。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組要有總線接口、數(shù)據(jù)傳輸線纜組成，主要完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。地面發(fā)射系統(tǒng)主要有隨動(dòng)平臺(tái)，發(fā)射裝置、以及操作臺(tái)燈組成，主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈產(chǎn)品的掛裝，校靶以及發(fā)射控制等功能。

圖2　基于GPS靶機(jī)的系統(tǒng)組成圖

目標(biāo)信息的解算

要想實(shí)現(xiàn)地面對(duì)靶發(fā)射試驗(yàn)，完成給導(dǎo)彈傳遞飛行任務(wù)的功能，首先需要將靶機(jī)的GPS位置和速度信息結(jié)算到導(dǎo)彈所在的慣性坐標(biāo)系中。目前廣泛使用的GPS接收機(jī)所獲得的定位數(shù)據(jù)是基于WGS-84坐標(biāo)系，而雷達(dá)慣性坐標(biāo)系建立與雷達(dá)位置和方向有關(guān)，原點(diǎn)位于地表，X軸平行于地表，Y軸天向，Z軸與X和Y軸構(gòu)成右手系，為了利用GPS信息對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行指示引導(dǎo)，必須進(jìn)行WGS-84坐標(biāo)系和雷達(dá)慣性坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換［3］。

a）WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地球直角坐標(biāo)系

假如地球表面一點(diǎn)P在地球直角坐標(biāo)系內(nèi)為P（X，Y，Z），在大地坐標(biāo)系內(nèi)為P（B，L，H），則大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變直角坐標(biāo)系：

式中N為橢球的曲率半徑，E為第一偏心率，B為緯度，L為經(jīng)度，H為高度（WGS84系）。

地球的長(zhǎng)短半徑分別為a、b，則：

b）地球直角坐標(biāo)系變換為慣性系下的導(dǎo)航坐標(biāo)

式中B、L分別為WGS84坐標(biāo)系下P點(diǎn)的緯度和經(jīng)度。

利用旋轉(zhuǎn)矩陣對(duì)WGS84的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)和平移，即可完成WGS84坐標(biāo)系到北東天坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換：

2　系統(tǒng)誤差分析

要想實(shí)現(xiàn)用GPS信息取代雷達(dá)引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊靶機(jī)，并給導(dǎo)彈傳遞所需要的飛行任務(wù)，完成對(duì)目標(biāo)的攻擊，最重要的要保證整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差在導(dǎo)彈可接收的范圍，這樣才能保證導(dǎo)彈中末制導(dǎo)交接的順利完成，下面探討下影響整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的幾個(gè)關(guān)鍵因素。

2.1數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性

與傳統(tǒng)雷達(dá)不同，基于GPS靶機(jī)的數(shù)據(jù)天地傳輸路徑為：衛(wèi)星--天線--＞靶機(jī)GPS接收機(jī)--＞數(shù)傳電臺(tái)--＞發(fā)射電線；地面?zhèn)鬏斅窂綖椋航邮仗炀€--＞數(shù)傳電臺(tái)--RS232--＞數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)--RS485--＞適配器--＞隨動(dòng)平臺(tái)。其中，GPS數(shù)據(jù)下傳速率取決于GPS接收模塊的最大數(shù)據(jù)輸出率，目前我們常用的車載或手機(jī)的GPS模塊為1Hz，無法滿足定位誤差和實(shí)時(shí)性要求，本方案中我們選用JAVAD JGG100，它的數(shù)據(jù)輸出率最大為20Hz，定位誤差為實(shí)時(shí)誤差±15m，實(shí)時(shí)測(cè)速誤差為±1m/s。這樣天地傳輸延時(shí)最大延時(shí)0.05s；根據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)的NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，我們選取$GPGGA進(jìn)行傳輸，RS232的數(shù)據(jù)傳輸波特率為9600bps，傳輸?shù)耐暾粠瑪?shù)據(jù)長(zhǎng)度為94個(gè)字，加上起始位和停止位（無奇偶校檢位）約為9400個(gè)位，時(shí)間大約為0.1s；數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)給適配器發(fā)送數(shù)據(jù)周期是24ms，RS485的數(shù)據(jù)傳輸波特率為38.4kbps，每幀傳送210個(gè)字，加上起始位、停止位和奇偶校檢位，約2310個(gè)位，時(shí)間延遲大約為0.06s；數(shù)傳電臺(tái)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)以及適配器的數(shù)據(jù)處理時(shí)間都是毫秒級(jí)，可以忽略不計(jì)，所以整個(gè)鏈路數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間延遲約為0.11s。

這樣從靶機(jī)上的GPS接收機(jī)接收到GPS信息到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)將接收到的GPS信息處理成隨動(dòng)平臺(tái)和導(dǎo)彈各自需要的目標(biāo)信息，所需要的時(shí)間大約為0.11s，目前所需要的靶機(jī)一般速度為亞音速，也就是說靶機(jī)在這段時(shí)間內(nèi)最大的飛行距離為0.11s×340m/s=37.4m。以美國(guó)AIML/M響尾蛇導(dǎo)彈最大射程7Km計(jì)算，由于GPS實(shí)時(shí)傳輸而引起的引導(dǎo)跟蹤最大實(shí)時(shí)誤差為0.306°，完全滿足導(dǎo)彈引導(dǎo)要求。

2.2信號(hào)丟失問題

由于目前我們使用的GPS衛(wèi)星波段為民用的L1波段（中心頻率為1575.42MHz），容易受到遮擋而出現(xiàn)信號(hào)丟失的問題，在真正的地面對(duì)靶發(fā)射試驗(yàn)中，靶機(jī)在飛行過程中為了完成固定的航線，必然出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎或者翅膀抖動(dòng)的現(xiàn)象，這樣就可能造成GPS信息的丟成。在GPS數(shù)據(jù)丟失期間，地面發(fā)射系統(tǒng)因收不到目標(biāo)的俯仰和方位而無法進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，導(dǎo)彈無法更新飛行任務(wù)，這樣就會(huì)增加整個(gè)引導(dǎo)的動(dòng)態(tài)誤差，當(dāng)動(dòng)態(tài)誤差達(dá)到導(dǎo)彈無法接受的程度，就可能出現(xiàn)地面導(dǎo)彈無法跟蹤上目標(biāo)靶機(jī)，造成試驗(yàn)的暫時(shí)性中斷，給試驗(yàn)帶來了安全隱患。為了消除由于靶機(jī)抖動(dòng)或轉(zhuǎn)彎造成的GPS信息丟失的問題，軟件上可以采用濾波算法，如果GPS信息丟失后進(jìn)進(jìn)行遞推，硬件上可以采用目前較為成熟的GPS天線陣列設(shè)計(jì)，在靶機(jī)的對(duì)稱翅膀上安裝GPS天線陣，這樣無論靶機(jī)怎樣抖動(dòng)，總有至少一個(gè)GPS接收天線朝向衛(wèi)星，從而避免了由于遮擋而造成GPS信號(hào)丟失的問題。

2.3靶機(jī)影響

除了上述影響因素之外，靶機(jī)的飛行姿態(tài)也會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)誤差有影響。由于動(dòng)態(tài)誤差只與導(dǎo)彈對(duì)靶機(jī)視線的切線角速率有關(guān)，如果靶機(jī)沿導(dǎo)彈視線方向飛行，那么理論上GPS引導(dǎo)的動(dòng)態(tài)為零。只有靶機(jī)沿導(dǎo)彈對(duì)靶機(jī)視線的切線方向飛行，靶機(jī)的飛行速度才能對(duì)動(dòng)態(tài)誤差產(chǎn)生最大的影響。而實(shí)際使用中，一般設(shè)計(jì)靶機(jī)對(duì)地面發(fā)射系統(tǒng)的航路捷徑為1～2Km，這樣實(shí)際使用中導(dǎo)彈對(duì)靶機(jī)視線的切線角速率往往變化很小。

3　結(jié)語

本文利用靶機(jī)下傳的GPS信息，通過GPS地面接收系統(tǒng)接收和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)處理后，通過專用的數(shù)據(jù)處理軟件把WGS-84系下的靶機(jī)GPS位置轉(zhuǎn)換成導(dǎo)彈所需要的北東天慣性系下的信息，經(jīng)特定格式打包后引導(dǎo)地面發(fā)控系統(tǒng)，并形成導(dǎo)彈所需的飛行任務(wù)。此方法在地面發(fā)控系統(tǒng)中省去了傳統(tǒng)所必須的雷達(dá)，并且徹底解決了小目標(biāo)、超視距地面靶試中雷達(dá)無法穩(wěn)定跟蹤的問題，從而大大提高了試驗(yàn)效率和試驗(yàn)結(jié)果的有效性，節(jié)約了試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。

［1］王德周，李耀民.基于GPS技術(shù)輔助雷達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013（1）.139-141.

［2］702D炮瞄雷達(dá)使用維護(hù)說明書［Z］.中國(guó)兵器工業(yè)第二零六研究所.

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S223.2

A

1003-5168（2015）-12-0055-2

秦亮（1987-），男，碩士，研究方向：導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)研究。