馬游春，張琦琪

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

在進(jìn)行靶場(chǎng)測(cè)試時(shí)，由于炮彈在飛行過(guò)程中有大量的飛行數(shù)據(jù)，需要對(duì)測(cè)試的炮彈進(jìn)行回收[1-3]。因此，確定炮彈落點(diǎn)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。但是，傳統(tǒng)的尋找炮彈落點(diǎn)的方法主要通過(guò)人工搜尋，由于炮彈落點(diǎn)的不確定以及地理位置的遮擋，比如隱藏在灌木叢中或者滲入沙地，都會(huì)對(duì)人工排查帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，搜尋過(guò)程會(huì)很困難[4]。在炮彈發(fā)射過(guò)程中，發(fā)射彈道是固定的，飛行過(guò)程可能出現(xiàn)偏差，但是飛行方向不會(huì)出現(xiàn)較大變化，整個(gè)炮彈的落點(diǎn)位置可能為朝前方向的扇形，這就為整個(gè)方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了步驟。

該文提出了一種快速確定炮彈落點(diǎn)的方法——采用定位模塊和MESH 組網(wǎng)設(shè)計(jì)確定炮彈落點(diǎn)信息。在炮彈處裝載GPS/北斗雙模定位模塊和無(wú)線通信模塊。先在整個(gè)炮彈的發(fā)射范圍內(nèi)布滿無(wú)線通信模塊，配置相應(yīng)信息構(gòu)成MESH 組網(wǎng)模式，在整個(gè)炮彈飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)定位并以每秒1 次的頻率回傳定位信息，能夠確定整個(gè)飛行過(guò)程中的位置信息，并可以通過(guò)整個(gè)飛行過(guò)程的定位來(lái)確定大致落點(diǎn)位置。同時(shí)，還可以在炮彈掉落后實(shí)時(shí)發(fā)送位置信息，方便尋找。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用背景，由于該信標(biāo)機(jī)需要搭載到炮彈上，對(duì)發(fā)射端的體積、形狀等具有較高要求。

該設(shè)計(jì)相較于目前火熱的北斗短報(bào)文傳輸定位模式[5]，在功耗、成本、設(shè)計(jì)周期等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，而且操作簡(jiǎn)單便捷。北斗短報(bào)文定位模式是北斗系統(tǒng)所特有的一種定位模式。相比于GPS 定位系統(tǒng)只能單向地將定位信息從衛(wèi)星發(fā)送給定位模塊，北斗短報(bào)文可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙向的傳輸。這樣對(duì)于信標(biāo)機(jī)[6]設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，安裝了北斗定位系統(tǒng)的定位模塊，可以將定位信息通過(guò)衛(wèi)星傳輸?shù)饺我獾胤絒7]，但是，設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜，成本高。綜上，出于成本、體積、功耗等多方面考慮，該設(shè)計(jì)方法優(yōu)于北斗短報(bào)文設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將定位模塊和無(wú)線通信模塊連接到一起，將炮彈飛行過(guò)程中的定位信息通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送出去，無(wú)線通信模塊接收到信息，通過(guò)FPGA 進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，將解析出的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。同時(shí)，炮彈在飛行過(guò)程中，飛到無(wú)線通信模塊構(gòu)成的MESH 組網(wǎng)的范圍內(nèi)，以炮彈（即炮彈上搭載的發(fā)射端）為中心，天線傳輸范圍內(nèi)的無(wú)線通信模塊都會(huì)收到定位信息，然后再以第一波接收到定位信息的無(wú)線通信模塊為中心，繼續(xù)覆蓋傳輸，最終傳輸給終端。該設(shè)計(jì)分為發(fā)射端和接收端，發(fā)射端[8]包括定位模塊、無(wú)線通信模塊、電源管理模塊以及天線等，接收端模塊包括無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源管理模塊以及天線等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 定位模塊

該文選取全星座定位模塊ATGM336H 作為該設(shè)計(jì)的定位模塊[9]，ATGM336H 是一款高性能全星座定位導(dǎo)航模塊，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國(guó)的BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），美國(guó)的GPS等。ATGM336H包含32 個(gè)跟蹤通道可以同時(shí)接收六個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS 信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)，具有體積小、高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)。而且具有配套的GPS 參數(shù)設(shè)置軟件GNSS 工具，可以直接在上位機(jī)上通過(guò)軟件來(lái)調(diào)整GPS模塊參數(shù)，使用起來(lái)很方便。ATGM336H 上配置有電池，支持冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)兩種模式，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，冷啟動(dòng)定位時(shí)間約為36s，熱啟動(dòng)約為3～5s。啟動(dòng)時(shí)間較短，可以滿足定位需求。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，ATGM336H 采用3.3 V 供電，其中2 引腳TX 和3 引腳RX 以及11 引腳RF_IN 作為整個(gè)模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)端口。由于需要選用共形微帶天線，此類天線為無(wú)源天線[10-11]，而且搜尋裝置對(duì)定位精度要求較高，因此需要將定位模塊接線方法設(shè)計(jì)為無(wú)源接法。在RF_IN 口接入低噪聲放大器AT2659，低噪聲放大器可以放大天線信號(hào)，但是噪聲系數(shù)很低，有利于接收定位信息同時(shí)噪聲影響很小。定位模塊接線示意圖如圖2 所示。

圖2 定位模塊接線示意圖

2.2 無(wú)線通信模塊

該文選用P900 模塊作為本設(shè)計(jì)的無(wú)線通信模塊。P900 模塊尺寸小，搭載在炮彈上具有較大的優(yōu)勢(shì)。Microhard P900 OEM 模塊是一款工業(yè)級(jí)高性能無(wú)線串口通信模塊，支持多種通信模式。P900 工作頻率為902～928 MHz，采用調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS）實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)線異步數(shù)據(jù)傳輸[12]。最大發(fā)射功率可達(dá)1 W，最大傳輸波特率可達(dá)到230.4 kbps。P900 模塊穩(wěn)定可靠，速率高，延時(shí)低，數(shù)據(jù)通信安全性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)。P900 模塊目前在國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)，應(yīng)急語(yǔ)音通信行業(yè)具有非常大的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用P900 模塊作為無(wú)線通信模塊，將定位信息傳遞給另一個(gè)P900 模塊，連接上位機(jī)讀取定位信息。在實(shí)際測(cè)量中，天線增益為6 dBi時(shí)，空速為276 480 bps、功率1 W 和波特率115 200 bps，一端置于高處，可視作無(wú)遮擋，傳輸距離可達(dá)到9～10 km。將幾種常用的無(wú)線通信模塊和該設(shè)計(jì)使用的P900 模塊進(jìn)行對(duì)比[13]，比較結(jié)果如表1 所示。P900 模塊作為收發(fā)一體機(jī)，利用一根天線，可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。此通信方式為半雙工模式。在P900 模塊內(nèi)部，搭載了射頻開(kāi)關(guān)SKY13335-381LF，可以實(shí)現(xiàn)天線的分時(shí)復(fù)用。在通道選擇器的作用下，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，VCTL1 端給高電平，VCTL2 端給低電平，通道1 接通，通道2 斷開(kāi)，數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)送出去。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，VCTL2給高電平，VCTL1 給低電平，通道2 接通，通道1 斷開(kāi)，數(shù)據(jù)通過(guò)天線接收回來(lái)。

表1 無(wú)線通信模塊對(duì)比結(jié)果

在P900 模塊中，雖然傳輸距離較遠(yuǎn)，但是炮彈落點(diǎn)范圍大，就需要對(duì)P900 模塊進(jìn)行通信范圍的拓展，該設(shè)計(jì)選用通信組網(wǎng)模式。通信組網(wǎng)模式示意圖如圖3 所示。

圖3 通信組網(wǎng)模式示意圖

利用MESH 組網(wǎng)模式，可以擴(kuò)大通信范圍。每一個(gè)通信模塊都可以實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。電腦端連接任意通信模塊都可以接收到數(shù)據(jù)。在整個(gè)通信結(jié)構(gòu)中，不區(qū)分主站和從站，每一個(gè)模塊都是獨(dú)立的通信個(gè)體，只要在自己的信號(hào)接收范圍內(nèi)都可以接收來(lái)自任意模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在整個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地布置好通信模塊，設(shè)置為組網(wǎng)模式，同時(shí)在導(dǎo)彈上攜帶一個(gè)通信模塊，導(dǎo)彈進(jìn)入到組網(wǎng)布控的范圍內(nèi)，就會(huì)發(fā)送定位信息，然后通過(guò)組網(wǎng)的通信傳遞到各個(gè)終端。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

接收端主控部分選用Altera 公司的cycloneIV 系列的FPGA 芯片EP4CE10F17C8[14],它含有的邏輯單元數(shù)為10K，SDRAM 存儲(chǔ)器擁有256 Mbit 的資源，最高運(yùn)行頻率166 MHz，并可通過(guò)邏輯實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，功耗小、體積小、性價(jià)比高。它的主要功能是對(duì)從接收端的通信模塊傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、解析和提取，串口波特率設(shè)為9 600 bit/s。

2.4 天線

發(fā)射端的定位模塊和無(wú)線通信模塊需要天線進(jìn)行接收以及發(fā)送數(shù)據(jù)，但是由于GPS 天線的工作頻段和P900 的工作頻段各不相同，所以需要不同的天線，為了減少體積，均選取微帶貼片天線。接收端僅有P900 模塊需要天線，選取工作頻段在900 MHz 的天線即可。定位模塊的天線選取微帶全向天線，繞著炮彈殼體貼一周，極大地減小了由于天線造成的體積過(guò)大和形狀不規(guī)則對(duì)炮彈飛行速度和落點(diǎn)的影響。同理，P900 模塊所需的天線同樣貼在炮彈殼體表面。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)幀格式

在定位信息中，夾雜著很多不需要的信息，在傳輸信息的過(guò)程中，如果僅傳輸自己需要的信息，可以大大地減少傳輸量。在全部的GPS 類型信息中，需要提取出所需要的信息。GPS 信號(hào)通過(guò)串口以NMEA-0183 標(biāo)準(zhǔn)格式[15-17]輸出，NMEA-0183 通信協(xié)議提供六種數(shù)據(jù)格式，分別是GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VTG。為了獲得所需要的日期、時(shí)間、經(jīng)度、緯度信息，且減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，該文選取RMC 格式。在RMC 格式中，第一個(gè)字段表示的是UTC 時(shí)間，即比北京時(shí)間晚8 h，順序按時(shí)分秒排列；第三個(gè)字段表示緯度的度數(shù)；第四個(gè)字段表示北緯還是南緯；第五個(gè)字段表示經(jīng)度的度數(shù)；第六個(gè)字段表示東經(jīng)還是西經(jīng)；第九個(gè)字段表示UTC 的日期，其他的信息不重要，不予解釋。

3.2 數(shù)據(jù)解析

在發(fā)送端，通過(guò)配GPS 信息可以單獨(dú)選擇由RMC 格式輸出，這樣通過(guò)TX 和RX 端接口，可以將信息傳輸給P900 無(wú)線通信模塊后，由無(wú)線通信模塊將信息發(fā)送到接收端，接收端的通信模塊接收到信息并傳給主控芯片，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，將解析后的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。定位數(shù)據(jù)的格式解析部分是程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在接收端接收到定位數(shù)據(jù)后，通過(guò)TX 和RX 傳輸?shù)酱趦?nèi)，串口首先進(jìn)行初始化，檢測(cè)串口是否打開(kāi)，打開(kāi)就檢測(cè)波特率是否一致，如果沒(méi)打開(kāi)就重新返回檢測(cè)是否打開(kāi)串口。波特率如果一致，就進(jìn)行下一步監(jiān)聽(tīng)串口，如果不一致，返回上一步。監(jiān)聽(tīng)串口監(jiān)聽(tīng)到了數(shù)據(jù)，就檢測(cè)幀頭，如果沒(méi)監(jiān)聽(tīng)到數(shù)據(jù)，就繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)。檢測(cè)到了幀頭，就進(jìn)行解析數(shù)據(jù)，如果未檢測(cè)到幀頭，就繼續(xù)檢測(cè)。解析好的數(shù)據(jù)包括經(jīng)度、緯度和時(shí)間信息。數(shù)據(jù)解析流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)解析流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

由于實(shí)驗(yàn)條件有限，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)彈測(cè)試，選擇在學(xué)校內(nèi)進(jìn)行定點(diǎn)定位測(cè)試系統(tǒng)功能。在上位機(jī)端顯示的頁(yè)面如圖5 所示，表示無(wú)線通信模塊接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)解析后的結(jié)果，可以清晰地給出日期、UTC時(shí)間、經(jīng)度和緯度，一目了然地觀察到目標(biāo)所在的位置信息。

圖5 炮彈落點(diǎn)位置信息顯示頁(yè)面圖

無(wú)線通信模塊接收到的數(shù)據(jù)未解析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。在上方框內(nèi)顯示的即為RMC 格式數(shù)據(jù)在ASCII 碼下的顯示結(jié)果，下方顯示的是RMC 格式數(shù)據(jù)在16 進(jìn)制下顯示的結(jié)果。在ASCII 碼中，$GPRMC 轉(zhuǎn)換為16 進(jìn)制表示成24 47 50 52 4D 43，此為識(shí)別的幀頭。根據(jù)第一個(gè)框中顯示083757.000，A，3800.83559，N，11226.77062，E 表示為現(xiàn)在的UTC時(shí)間為8 時(shí)37 分57 秒，定位為有效定位，緯度為北緯38.008 355 9°，經(jīng)度為東經(jīng)112.267 706 2°。第二個(gè)框中16 進(jìn)制數(shù)表示的是現(xiàn)在的UTC 時(shí)間為8 時(shí)37分58秒，定位為有效定位，緯度為北緯38°008 355 6°，經(jīng)度為東經(jīng)112.267 706 3°。經(jīng)兩次數(shù)據(jù)對(duì)比可以得知數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為每秒1 次，滿足通信頻率要求。根據(jù)定位信息，就可以定位到炮彈所在位置。

圖6 無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢，學(xué)校內(nèi)定點(diǎn)定位測(cè)試位置的經(jīng)緯度信息為東經(jīng)112.459 700 38°，北緯38.021 042 8°，與實(shí)際測(cè)得的東經(jīng)112.267 706 3°，北緯38.008 355 6°誤差較小，符合定位精度要求，證明了該方法的可行性和正確性。在最終的設(shè)計(jì)結(jié)果中，發(fā)射端的體積僅為35×26×6 mm3，具有小型化的特點(diǎn)。同時(shí)，在正常通信過(guò)程中，發(fā)射端系統(tǒng)供電電壓為7.4 V，電流為0.33 A，計(jì)算的功耗僅有2.442 W，兼具了低功耗的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

針對(duì)炮彈發(fā)射后落點(diǎn)的位置信息不能及時(shí)傳遞和炮彈無(wú)法快速回收的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種快速定位炮彈落點(diǎn)位置信息的信標(biāo)機(jī)。該文所設(shè)計(jì)的信標(biāo)機(jī)不僅能夠快速定位到位置信息，還能在飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)傳遞位置信息。不受炮彈落點(diǎn)影響，操作方便，極大地提高了炮彈搜尋的精確度，快速地回收彈載記錄儀。并且該信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)以體積小、功耗低、成本低為特點(diǎn)，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和可行性。