吳曉琳

(92941部隊(duì)　葫蘆島　125000)

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測(cè)量信息仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

吳曉琳

(92941部隊(duì)葫蘆島125000)

摘要雷達(dá)和GPS是外測(cè)的重要測(cè)量手段,論文通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和軟件編制,完成了雷達(dá)和GPS相關(guān)信息的仿真,利用數(shù)字仿真技術(shù),模擬外測(cè)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù),從而滿足日益繁重的試驗(yàn)任務(wù)和科研需要。

關(guān)鍵詞仿真; 外測(cè); 脈沖雷達(dá); GPS

Design and Implementation of Measurement Information Simulation

WU Xiaolin

(No. 92941 Troops of PLA, Huludao125000)

AbstractRadar and GPS are important measurements of exterior. In this paper, the simulation of radar and GPS information is accomplished through mathematical modelling and software programming. With the use of digital simulation technology, measurement data of tracking equipment are simulated so as to meet the increasingly heavy test tasks and research needs.

Key Wordssimulation, external trajectory, pulse radar, GPS

Class NumberTP391.9

1引言

仿真是基于模型的活動(dòng),對(duì)于任意一項(xiàng)系統(tǒng)的仿真研究都是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程,測(cè)控系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)也是如此,測(cè)控網(wǎng)所涵蓋的內(nèi)容決定了仿真設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。在對(duì)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)控信息流程進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,本文對(duì)外測(cè)信息仿真的設(shè)計(jì)思想及模型實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行討論。

本文采用的是純數(shù)學(xué)仿真方法實(shí)現(xiàn)的軟件形式,其特點(diǎn)是利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真,產(chǎn)生各種模擬測(cè)量數(shù)據(jù),因此在仿真計(jì)算部分,建立適合的數(shù)學(xué)模型成為仿真軟件實(shí)現(xiàn)所需解決的重要問(wèn)題,仿真計(jì)算時(shí)要涉及以下兩方面內(nèi)容。

1) 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

理論彈道是外測(cè)信息仿真計(jì)算的基礎(chǔ)。理論彈道數(shù)據(jù)一般是由型號(hào)研制部門所提供,但這些彈道數(shù)據(jù)并不是等間隔連續(xù)的彈道點(diǎn),因此在裝訂彈道數(shù)據(jù)文件時(shí),要挑出所需的彈道點(diǎn)數(shù),通常在火箭特征點(diǎn)附近取的彈道點(diǎn)稍密一些,而在其他時(shí)段彈道可根據(jù)需要適當(dāng)取彈道點(diǎn),在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí),首先要對(duì)理論彈道進(jìn)行插值計(jì)算,得出等間隔、嚴(yán)格的全彈道數(shù)據(jù)。

2) 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

測(cè)控系統(tǒng)中涉及多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)和多種表達(dá)形式及其轉(zhuǎn)換,地球物理參數(shù)采用DX-2坐標(biāo)系統(tǒng)的參數(shù),地面測(cè)量采用測(cè)量坐標(biāo)系,基地間彈道信息采用的則是地心坐標(biāo)系,地面遙、外測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理彈道參數(shù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到發(fā)射坐標(biāo)系中。因此,仿真計(jì)算時(shí)要涉及到不同坐標(biāo)系之間相互轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。

2測(cè)量信息仿真

在測(cè)控系統(tǒng)中,外測(cè)設(shè)備多種多樣,根據(jù)輸入中心計(jì)算機(jī)的測(cè)量信息,主要可以歸結(jié)為三類。

第二類,測(cè)量信息為地心坐標(biāo)系的彈道(T,x,y,z,vx,vy,vz),如GPS等設(shè)備。

第三類,測(cè)量信息為發(fā)射坐標(biāo)系的彈道,主要設(shè)備為團(tuán)站級(jí)的計(jì)算機(jī)。在實(shí)際飛行試驗(yàn)任務(wù)中,這些測(cè)量元素均來(lái)源于各測(cè)量站對(duì)飛行目標(biāo)跟蹤和測(cè)量的結(jié)果。測(cè)控中心計(jì)算機(jī)有了上述測(cè)量元素,經(jīng)數(shù)據(jù)處理,就能計(jì)算出任何飛行目標(biāo)的彈道或軌道參數(shù)(T,x,y,z,vx,vy,vz)。但在平時(shí)聯(lián)調(diào)、聯(lián)試以及訓(xùn)練時(shí),這些測(cè)量元素只能依靠仿真系統(tǒng)對(duì)各設(shè)備的模擬仿真得到。

3脈沖雷達(dá)信息模擬

單脈沖雷達(dá)是大型精密跟蹤雷達(dá),主要用于對(duì)導(dǎo)彈的飛行彈道進(jìn)行跟蹤測(cè)量,獲得定位數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù),為指揮控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)信息,并為事后處理系統(tǒng)提供其記錄信息,雷達(dá)采用振幅和差式單脈沖體制。

3.1工作原理

3.2仿真測(cè)量元素計(jì)算模型

式中:L為大地經(jīng)度,B為大地緯度,h為高程;ND為P點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑,由上式得到

上式中aD為參考橢球長(zhǎng)半徑,eD為參考橢球第一偏心率。然后,進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,將發(fā)射坐標(biāo)系的彈道轉(zhuǎn)換為地心空間直角坐標(biāo)系下。發(fā)射坐標(biāo)系的定義:它是以發(fā)射點(diǎn)的鉛垂線、水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的垂線坐標(biāo)系,以O(shè)f-XcfYcfZcf表示。原點(diǎn)Of位于導(dǎo)彈質(zhì)心在發(fā)射臺(tái)平面的投影點(diǎn);Ycf軸與發(fā)射點(diǎn)的鉛垂線一致,指向地球外:Xcf軸與Ycf軸垂直,由原點(diǎn)指向發(fā)射瞄準(zhǔn)方向,Xcf軸與發(fā)射點(diǎn)天文子午面的夾角即瞄準(zhǔn)方向的天文方位角。Zcf軸與Xcf、Ycf構(gòu)成右手關(guān)系。已知發(fā)射點(diǎn)的大地坐標(biāo),天文經(jīng)度、緯度和發(fā)射方向的天文方位角即可進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,公式如下:

由地心空間直角坐標(biāo)系下的彈道,可以通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算得出測(cè)站坐標(biāo)系下的彈道。測(cè)量坐標(biāo)系Oc-XcYcZc。定義以測(cè)量設(shè)備的回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn),Xc軸在過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的水平面內(nèi)指向天文北;Yc與過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的鉛垂線相重合,向上為正;Zc軸在坐標(biāo)原點(diǎn)的水平面內(nèi)與Xc、Yc軸構(gòu)成右手系。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下:

3.3測(cè)速原理

3.4仿真步驟

系統(tǒng)軟件具體的仿真步驟如下:

1) 調(diào)用函數(shù)進(jìn)行發(fā)射系到連續(xù)波測(cè)量系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;

2) 進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算:

R=(x2+y2+z2)1/2

Rp=[(x-xp)2+(y-yp)2+(z-zp)2]1/2

Rq=[(x-xq)2+(y-yq)2+(z-zq)2]1/2

S=2*R;r1=R-Rp;r2=R-Rq

其中Aij-1為將發(fā)射系下速度參數(shù)轉(zhuǎn)換為距離參數(shù)的3×3系數(shù)矩陣;

3) 計(jì)算得到的測(cè)量元素進(jìn)行量綱轉(zhuǎn)換;

4) 將計(jì)算好的參數(shù)按照格式進(jìn)行組幀處理;

5) 填入發(fā)送緩沖區(qū),數(shù)據(jù)打包。

4GPS彈道模擬

從GPS工作原理來(lái)看,利用它來(lái)跟蹤飛行器有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先GPS能在全球范圍、24小時(shí)提供高精度七維信息,因而象導(dǎo)彈這樣的試驗(yàn)可不受發(fā)射場(chǎng)區(qū)、射向、射程、發(fā)射窗口及測(cè)量站布局的限制,可以在任何地區(qū)任何時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。由于GPS是一個(gè)無(wú)線電定位測(cè)速系統(tǒng),所以不受天氣條件的影響。GPS用戶是被動(dòng)接收信號(hào)而完成定位測(cè)速的,所以用戶可以無(wú)限多。GPS的具體測(cè)量方案分兩大類:彈載接收機(jī)方案和轉(zhuǎn)發(fā)跟蹤方案。

1) 彈載接收機(jī)方案

在被跟蹤目標(biāo)上裝載一臺(tái)能適應(yīng)目標(biāo)速度與加速度的全功能多通道接收機(jī),由它接收四顆以上GPS衛(wèi)星的信號(hào),完成實(shí)時(shí)定位測(cè)速。目標(biāo)上接收機(jī)得到的目標(biāo)位置和速度數(shù)據(jù)經(jīng)遙測(cè)線路送到中心計(jì)算機(jī)。這種方案是當(dāng)前測(cè)控系統(tǒng)中經(jīng)常使用的。

2) 轉(zhuǎn)發(fā)跟蹤方案

采用這種方案時(shí),在目標(biāo)上裝載轉(zhuǎn)發(fā)器,將目標(biāo)上天線接收的GPS衛(wèi)星信號(hào)加以變頻或數(shù)字化,通過(guò)遙測(cè)線路轉(zhuǎn)發(fā)到地面站,在遙測(cè)站作實(shí)時(shí)處理,所得彈道可供實(shí)時(shí)安全使用。

對(duì)GPS設(shè)備信息的仿真需要模擬的是地心系下的彈道參數(shù)。對(duì)其處理的要點(diǎn)是利用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換將發(fā)射坐標(biāo)系下的彈道轉(zhuǎn)為地心坐標(biāo)系下的彈道,發(fā)射系彈道轉(zhuǎn)地心系彈道的計(jì)算方法如下:

其中a0、b0、c0為發(fā)射點(diǎn)在地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

其中

φ11=-sinλsina-cosλsinφcosaφ12=cosλcosφ

φ13=-sinλcosa+cosλsinφsina

φ21=cosλsina-sinλsinφcosa

φ22=sinλcosφφ23=cosλcosa+sinλsinφsina

φ31=cosφcosaφ32=sinφφ33=-cosφsina

φ、λ、a分別為發(fā)射點(diǎn)天文經(jīng)度、緯度、射擊方位角。通過(guò)上述計(jì)算得到GPS設(shè)備發(fā)送給中心計(jì)算機(jī)的仿真信息,然后對(duì)各參數(shù)進(jìn)行量綱復(fù)原和組幀處理,然后將數(shù)據(jù)幀打入數(shù)據(jù)包中。

GNSS是俄羅斯建立類似美國(guó)GPS的衛(wèi)星式全球定位系統(tǒng),其工作原理、基本組成與GPS相似,但具體實(shí)現(xiàn)方案稍有差別,數(shù)字仿真系統(tǒng)對(duì)其的模擬方法與GPS相似。

5結(jié)語(yǔ)

本文介紹了外測(cè)仿真系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法,同時(shí)對(duì)外測(cè)設(shè)備的測(cè)量原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。由于試驗(yàn)測(cè)控網(wǎng)涉及范圍十分廣泛,因此仿真軟件在設(shè)計(jì)時(shí)要全面考慮測(cè)控中心計(jì)算機(jī)所有處理、交換的信息,同時(shí),由于整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的復(fù)雜性及多變性,因此對(duì)于數(shù)字仿真來(lái)講,為提高數(shù)據(jù)處理軟件的可靠性,還必須考慮測(cè)控設(shè)備信息異常及目標(biāo)飛行故障等情況。只有這樣,建立的模型才更接近于實(shí)際狀況,為安控預(yù)演提供更為可靠、接近于實(shí)際的仿真飛行數(shù)據(jù)。

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中圖分類號(hào)TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.022

作者簡(jiǎn)介:吳曉琳,女,工程師,研究方向:數(shù)據(jù)處理。

收稿日期:2015年9月8日,修回日期:2015年10月24日