許吉斌，冉玉忠，郭慧平

(湖南云箭集團(tuán)有限公司長(zhǎng)沙機(jī)電產(chǎn)品研究開發(fā)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

雙模導(dǎo)航武器的遙測(cè)天線自適應(yīng)跟蹤方法

許吉斌，冉玉忠，郭慧平

(湖南云箭集團(tuán)有限公司長(zhǎng)沙機(jī)電產(chǎn)品研究開發(fā)中心，湖南長(zhǎng)沙410100)

針對(duì)現(xiàn)有的遙測(cè)天線跟蹤方法方式單一，對(duì)GPS數(shù)據(jù)依賴程度高的問題，提出了雙模導(dǎo)航武器的遙測(cè)天線自適應(yīng)跟蹤方法。該方法通過對(duì)雙模導(dǎo)航武器遙測(cè)數(shù)據(jù)特征的分析，提取出武器的GPS和北斗導(dǎo)航位置信息，計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)的俯仰、方位角和相應(yīng)的跟蹤閾值，自適應(yīng)地對(duì)其進(jìn)行過濾，選擇合適的引導(dǎo)方式，并通過網(wǎng)絡(luò)控制天饋系統(tǒng)對(duì)空基精確制導(dǎo)武器進(jìn)行跟蹤。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法有效地提高了遙測(cè)天線的跟蹤能力，保證了遙測(cè)數(shù)據(jù)的接收。

雙模導(dǎo)航；遙測(cè)；數(shù)據(jù)提取；自適應(yīng)跟蹤

0 引言

GPS作為全球首個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在制導(dǎo)武器中占有極其重要的地位，然而也是因?yàn)槠涮厥獾膽?zhàn)略軍事地位，針對(duì)GPS的干擾技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問題，我國(guó)從上世紀(jì)八十年代開始著手研制自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并且在軍工科研上獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，利用GPS和北斗雙模衛(wèi)星協(xié)同導(dǎo)航的方式越來越多地出現(xiàn)在制導(dǎo)武器中。

而在制導(dǎo)武器的研制過程中，需要各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，一方面實(shí)時(shí)地為指揮員的決策提供支持；另一方面，通過對(duì)數(shù)據(jù)的事后處理，為制導(dǎo)武器的性能分析和特殊情況下的故障排查提供依據(jù)，這些都需要遙測(cè)系統(tǒng)為其完成。遙測(cè)數(shù)據(jù)中包含大量的導(dǎo)航信息、控制信息以及武器內(nèi)部的模擬量信息，對(duì)這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確接收和提取十分重要。

要保證遙測(cè)數(shù)據(jù)的接收，就要求采用可靠的遙測(cè)天線跟蹤方式，目前主要的遙測(cè)天線跟蹤方式包括五種：等待跟蹤、手動(dòng)跟蹤、程序跟蹤、自跟蹤和外引導(dǎo)跟蹤。針對(duì)飛行距離較短，只關(guān)心靶區(qū)末段遙測(cè)數(shù)據(jù)的制導(dǎo)武器，可以選擇等待跟蹤，但是該方法無法實(shí)現(xiàn)全程的遙測(cè)數(shù)據(jù)接收；針對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較慢，且要求全程跟蹤的制導(dǎo)武器，可采用手動(dòng)跟蹤方式，但是該方法對(duì)操作人員要求較高，對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度較快的目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)很好的跟蹤。針對(duì)可預(yù)知準(zhǔn)確航跡的制導(dǎo)武器，可采用程序跟蹤方式，該方法的缺點(diǎn)是一旦目標(biāo)的實(shí)際航跡與理論不符時(shí)，將無法獲取準(zhǔn)確的遙測(cè)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[3—4]提出可通過對(duì)信號(hào)主副瓣的識(shí)別，引導(dǎo)天線進(jìn)行自跟蹤，但是當(dāng)目標(biāo)自身信號(hào)較弱、周圍環(huán)境噪聲較強(qiáng)或者有遮擋物時(shí)，使用該方式容易丟失目標(biāo)，不適合低角度、遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。文獻(xiàn)[5]提出利用監(jiān)控?cái)z像機(jī)結(jié)合圖像處理系統(tǒng)為云臺(tái)的控制提供外部引導(dǎo)，這種方法在天氣狀況欠佳或者距離較遠(yuǎn)，被測(cè)目標(biāo)特征不明顯的狀況下無法實(shí)現(xiàn)跟蹤。文獻(xiàn)[6—11]提出利用飛行器上的遙測(cè)設(shè)備發(fā)送GPS位置數(shù)據(jù)，并將其作為外引導(dǎo)數(shù)據(jù)源對(duì)遙測(cè)天線進(jìn)行控制，該方法相較于現(xiàn)有的跟蹤方式，有較強(qiáng)的適應(yīng)性，引導(dǎo)精度高，但其跟蹤方法方式單一，對(duì)GPS數(shù)據(jù)依賴程度高，當(dāng)GPS信號(hào)無效時(shí)，則無法對(duì)其進(jìn)行跟蹤。本文針對(duì)此問題，提出了雙模導(dǎo)航武器的遙測(cè)天線自適應(yīng)跟蹤方法。

1 遙測(cè)車載站組成及工作原理

遙測(cè)車載站主要由遙測(cè)天饋模塊、遙測(cè)信號(hào)接收/數(shù)據(jù)處理模塊、GPS標(biāo)校模塊組成，其組成如圖1所示。

遙測(cè)車載站的跟蹤天線接收左右旋S波段遙測(cè)信號(hào)，經(jīng)LNA、射頻切換組合和信道組合完成S波段遙測(cè)信號(hào)的放大、下變頻，輸出70 MHz的中頻信號(hào)。中頻遙測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)地送至兩塊遙測(cè)數(shù)字基帶板卡進(jìn)行數(shù)字采樣、分集合成、數(shù)字基帶解調(diào)、角誤差解調(diào)、PCM信號(hào)解調(diào)，在CPCI工控機(jī)上完成遙測(cè)數(shù)據(jù)處理、遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示、存盤和數(shù)據(jù)挑路輸出。同時(shí)天線捕獲的目標(biāo)角誤差信號(hào)輸出到ACU組合，ACU組合進(jìn)行天線跟蹤解算并控制天線完成對(duì)制導(dǎo)武器的跟蹤功能。

2 自適應(yīng)天線跟蹤方法

2.1 總體框架

自適應(yīng)天線跟蹤方法是通過對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算處理，提取出武器的GPS和北斗導(dǎo)航位置信息，計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)的俯仰、方位角，自適應(yīng)地對(duì)其進(jìn)行過濾，選擇合適的引導(dǎo)方式，并通過網(wǎng)絡(luò)控制天饋系統(tǒng)對(duì)空基精確制導(dǎo)武器進(jìn)行跟蹤。其實(shí)現(xiàn)的總體框架如圖2所示。

圖2 遙測(cè)車載站自適應(yīng)天線跟蹤方法總體框架Fig.2 General Framework of adaptive tracking technology on the telemetry vehicle antenna

2.2 跟蹤方式

本文基于遙測(cè)車載站平臺(tái)，主要研究其在GPS和北斗雙模導(dǎo)航空基制導(dǎo)武器的掛飛和靶試試驗(yàn)中的應(yīng)用，重點(diǎn)采集武器掛飛過程中及機(jī)彈分離前后的數(shù)據(jù)。

根據(jù)試驗(yàn)的特點(diǎn)，跟蹤方式采用等待和自適應(yīng)跟蹤結(jié)合的方式。具體的跟蹤方式如下：

1)遙測(cè)車載站天線對(duì)準(zhǔn)載機(jī)預(yù)設(shè)航跡方向，等待武器進(jìn)入數(shù)據(jù)接收區(qū)域，天線開始跟蹤；

圖3 遙測(cè)車載站天線跟蹤方式Fig.3 Tracking mode of the telemetry vehicle antenna

2)接收空基精確制導(dǎo)武器下發(fā)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，從中提取出GPS和北斗的位置信息，并計(jì)算出基于GPS位置信息的遙測(cè)天線跟蹤角和基于北斗位置信息的遙測(cè)天線跟蹤角；

3)選取合適的俯仰角、方位角轉(zhuǎn)動(dòng)閾值，通過當(dāng)前遙測(cè)車天饋系統(tǒng)提供的天線轉(zhuǎn)動(dòng)角信息，并將GPS跟蹤角和北斗跟蹤角分別與天線轉(zhuǎn)動(dòng)角進(jìn)行比較，判斷其是否大于俯仰角或者轉(zhuǎn)動(dòng)角閾值；

4)根據(jù)3)的判斷結(jié)果，自適應(yīng)地選擇采用GPS、北斗位置信息組合跟蹤，GPS位置信息跟蹤、北斗位置信息跟蹤或者是遙測(cè)車自跟蹤方式。

2.3 遙測(cè)數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

從遙測(cè)數(shù)據(jù)中解析出的GPS和北斗導(dǎo)航位置數(shù)據(jù)，需要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后才能提供給天饋系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤控制。處理方法如下：

遙測(cè)數(shù)據(jù)中的位置信息格式為P[經(jīng)，緯，高]。在該坐標(biāo)系下遙測(cè)車布站點(diǎn)的位置可表示為P觀測(cè)[B1，L1，H1]，制導(dǎo)武器的位置可表示為P武器[B2，L2，H2]， 可將該坐標(biāo)系下的位置信息P[經(jīng)，緯，高]換為空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)S′[東，北，天]，有

(1)

(2)

圖4 觀測(cè)空間坐標(biāo)系Fig.4 The observation spatial coordinates

再將觀測(cè)空間坐標(biāo)系下的S武器[x1，y1，z1]轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系下的λ[方位角，俯仰角]，則可以得到武器相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)的方位角和俯仰角λ[β，α]，轉(zhuǎn)換公式如下：

(3)

(4)

需要說明的是當(dāng)GPS與北斗采用協(xié)同導(dǎo)航時(shí)，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的是WGS-84坐標(biāo)系，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的是CGCS2000坐標(biāo)系，兩者之間存在厘米級(jí)的差距，在遙測(cè)天線外引導(dǎo)控制分析時(shí)可忽略不計(jì)，認(rèn)為兩者參照同一坐標(biāo)系。

2.4 自適應(yīng)跟蹤閾值計(jì)算

如圖4所示，武器相較于觀測(cè)點(diǎn)的水平距離τ水平和總距離τ，有

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，t為遙測(cè)數(shù)據(jù)包更新周期，是已知特定值。

2.5 遙測(cè)車載站天線控制

引導(dǎo)數(shù)據(jù)通過UDP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式與天控系統(tǒng)進(jìn)行通信。兩者之間的通信遵循表1所示數(shù)據(jù)幀格式。

表1 天線控制通信數(shù)據(jù)幀格式

2.6 自適應(yīng)天線跟蹤具體實(shí)現(xiàn)方法

遙測(cè)車載站天線自適應(yīng)跟蹤具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

步驟1：輸入當(dāng)前觀測(cè)位置的位置信息P觀測(cè)；

步驟2：利用遙測(cè)車載站接收制導(dǎo)武器下發(fā)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)池中讀取共享數(shù)據(jù)；

步驟3：對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，挑路，分包得出GPS及北斗定位數(shù)據(jù)所在的遙測(cè)數(shù)據(jù)幀；

步驟4：根據(jù)遙測(cè)協(xié)議，對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，挑選出制導(dǎo)武器的實(shí)時(shí)GPS及北斗的定位數(shù)據(jù)；

步驟5：分別根據(jù)GPS和北斗的位置信息PGPS、PBD2和觀測(cè)點(diǎn)的位置信息P觀測(cè)，計(jì)算出遙測(cè)GPS跟蹤角λGPS和北斗跟蹤角λBD2；

步驟6：獲取遙測(cè)天線反饋的天線轉(zhuǎn)動(dòng)角λ當(dāng)前，并且計(jì)算GPS偏離角ΔλGPS=λGPS-λ當(dāng)前和北斗偏離角ΔλBD2=λBD2-λ當(dāng)前；

步驟7：若ΔλGPS的方位角小于方位角閾值Δβ閾且俯仰角小于俯仰角閾值Δα閾時(shí)，認(rèn)為GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)有效，置標(biāo)志字flag_GPS=1，否則置標(biāo)志字flag_GPS=0；

步驟8：若ΔλBD2的方位角小于方位角閾值Δβ閾且俯仰角小于俯仰角閾值Δα閾時(shí)，認(rèn)為北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)有效, 置標(biāo)志字flag_BD2=1，否則置標(biāo)志字flag_BD2=0；

步驟9：若flag_GPS=1且flag_BD2=1，則跟蹤偏離角Δλ=(ΔλBD2+ΔλGPS)/2，error_Num=0；若flag_GPS=1且flag_BD2=0，Δλ=ΔλGPS, error_Num=0；若flag_GPS=0且flag_BD2=1，Δλ=ΔλBD2, error_Num=0;若flag_GPS=0且flag_BD2=0,Δλ=Δλ原，error_Num ++;

步驟10：若error_Num≤3,控制遙測(cè)天線轉(zhuǎn)動(dòng)Δλ[方位角，俯仰角]，若error_Num>3,認(rèn)為GPS和北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)都被干擾，轉(zhuǎn)遙測(cè)天線自跟蹤模式。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)遙測(cè)天線跟蹤方法進(jìn)行改進(jìn)，依次使用了自跟蹤加手動(dòng)跟蹤方法、GPS外引導(dǎo)方法、自適應(yīng)天線跟蹤方法，對(duì)武器掛飛過程中及機(jī)彈分離前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，試驗(yàn)結(jié)果如下。

采用遙測(cè)天線自跟蹤加手動(dòng)跟蹤方法對(duì)空基精確制導(dǎo)武器進(jìn)行跟蹤的位置信息如圖6所示。

圖6 自跟蹤加手動(dòng)跟蹤方法跟蹤武器位置信息圖Fig.6 Location information obtained by autotracking go with manual tracking mode

由圖6可見，當(dāng)武器在受到載機(jī)遮擋或者位于遙測(cè)天線低仰角方位時(shí)，采用遙測(cè)天線自跟蹤方法對(duì)其進(jìn)行跟蹤很容易丟失目標(biāo)，需要頻繁地采用手動(dòng)跟蹤的方式對(duì)遙測(cè)天線進(jìn)行校正。因此，采集到的武器位置信息有大量斷點(diǎn)。

采用武器GPS數(shù)據(jù)作為外引導(dǎo)數(shù)據(jù)源，彈道末端加入GPS衛(wèi)星干擾器情況下跟蹤到的位置信息如圖7所示。

由圖7可見GPS外引導(dǎo)方法可以在一定程度上克服低仰角和載機(jī)遮擋對(duì)跟蹤造成的影響，但是在施加GPS衛(wèi)星干擾后，則無法再對(duì)武器進(jìn)行跟蹤。

圖7 GPS外引導(dǎo)方法跟蹤武器位置信息圖Fig.7 Location information obtained by GPS indication mode

采用自適應(yīng)天線跟蹤方法，彈道末端先后加入GPS衛(wèi)星干擾器和北斗干擾器情況下，跟蹤到的位置信息如圖8所示。

圖8 自適應(yīng)天線跟蹤方法跟蹤武器位置信息圖Fig.8 Location information obtained by adaptive tracking technology on telemetering antenna

試驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)天線跟蹤方法在施加GPS衛(wèi)星干擾和北斗干擾的情況下，可以很好地對(duì)武器進(jìn)行跟蹤。

4 結(jié)論

本文提出了雙模導(dǎo)航武器的遙測(cè)天線自適應(yīng)跟蹤方法。該方法通過對(duì)雙模導(dǎo)航武器遙測(cè)數(shù)據(jù)特征的分析，提取出武器的GPS和北斗導(dǎo)航位置信息，計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)的俯仰、方位角和相應(yīng)的跟蹤閾值，自適應(yīng)地對(duì)其進(jìn)行過濾，選擇合適的引導(dǎo)方式，并通過網(wǎng)絡(luò)控制天饋系統(tǒng)對(duì)空基精確制導(dǎo)武器進(jìn)行跟蹤。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法有效地提高了遙測(cè)天線的跟蹤能力，保證了遙測(cè)數(shù)據(jù)的接收，現(xiàn)已應(yīng)用于某型號(hào)項(xiàng)目中，為其試驗(yàn)的開展提供了有力保障。

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NavigationWeaponAdaptiveTrackingwithDual-modeTelemeteringAntenna

XU Jibin，RAN Yuzhong，GUO Huiping

(Changsha Mechanical and Electrical Products Research and Development Center, Hunan Vanguard Group Co, Ltd., Changsha 410100, China)

The traditional tracking technologies on telemetering Antenna have some defects, such as mode singleness, high GPS dependence，no anti-interference ability on GPS. Aimed at these problems, a dual-mode navigation weapon adaptive tracking technology on telemetering antenna was proposed. The method analyzed telemetering data feature of dual-mode navigation weapon; extracted the location information from GPS and BD2 data; third, calculate the pitch angle and the azimuth angle, then chose the best guided method to tracking the dual-mode navigation weapon. This tracking technology made full use of GPS and BD2 location information, and to guarantee the telemetering data acceptance.

dal-mode navigation；telemetering; data extraction; adaptive tacking tchnology

2017-03-13

:國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目資助(A1020133091)

:許吉斌(1987—)，男，湖南邵陽人，碩士，工程師，研究方向：遙測(cè)技術(shù)、地面檢測(cè)技術(shù)。E-mail:185854616@163.com。

TP29

：A

：1008-1194(2017)04-0072-05