摘 要： 空空導(dǎo)彈研制過程需要進行一系列地面飛行試驗，而炮瞄雷達為高精度跟蹤雷達，波束很窄，不具備大范圍自動搜索功能；在地面試驗中，雷達跟蹤過程出會現(xiàn)丟失目標(biāo)無法引導(dǎo)的情況，構(gòu)不成試驗條件，導(dǎo)致試驗無法進行；該軟件利用靶機提供的GPS定位數(shù)據(jù)，實時解算目標(biāo)方位、俯仰信息傳輸給炮瞄雷達系統(tǒng)，實現(xiàn)了對目標(biāo)的輔助引導(dǎo)、對靶機飛行軌跡的記錄回放、以及對目標(biāo)方位修正功能；實際應(yīng)用結(jié)果表明，該軟件具有較高的可靠性和可擴展性，完全滿足輔助引導(dǎo)系統(tǒng)的需要。

關(guān)鍵詞： 空空導(dǎo)彈； 炮瞄雷達； 輔助引導(dǎo)系統(tǒng)； 坐標(biāo)變換； GPS

中圖分類號： TN957.52?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）01?0041?03

0 引 言

空空導(dǎo)彈研制過程中需要在靶場進行大量的地面發(fā)射飛行試驗，該試驗的前提是必須保持雷達對目標(biāo)的穩(wěn)定截獲跟蹤，以完成給產(chǎn)品裝訂飛行任務(wù)等一系列操作[1]。傳統(tǒng)的導(dǎo)彈地面發(fā)射試驗是使用一種高精度炮瞄雷達為導(dǎo)彈指引目標(biāo)，而這種雷達波束很窄，不具備大范圍自動搜索功能[2]，而正式裝備部隊使用時截獲目標(biāo)是依靠搜索雷達完成前期引導(dǎo)的。目前地面靶試中采用的目標(biāo)機均為小尺寸靶機，此類靶機本身的RCS反射特性很小，受限于安裝空間，加裝“龍伯球”、“角反射體”僅限于前向很窄的范圍，后向反射特性小[3]。在靶試試驗中一旦丟失目標(biāo)后，啟動搜索程序，再次截獲目標(biāo)將非常困難，特別是在超視距條件下則幾乎是不可能的，這給飛行試驗帶來很大的困難，造成靶試任務(wù)無法進行。

本文利用日益廣泛使用的GPS全球定位技術(shù)，接收從靶機下傳的GPS信息，進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后形成角度信息，再轉(zhuǎn)換為雷達可識別的信號，在雷達信號回波不足以截獲目標(biāo)的情況下，輔助引導(dǎo)雷達天線始終對準(zhǔn)目標(biāo)，在目標(biāo)對向試驗航路時可以立即完成對目標(biāo)的鎖定跟蹤，并實現(xiàn)了對目標(biāo)飛行航跡的實時顯示、記錄、回放以及對目標(biāo)的誤差修正功能，解決了雷達在跟蹤過程中丟失目標(biāo)后無法二次截獲的問題，為飛行試驗節(jié)約了成本，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

1 軟件設(shè)計需求

該軟件能夠接收、存儲、解算靶機下傳的GPS數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化成雷達可以識別的信息，實時顯示目標(biāo)的飛行軌跡和飛行參數(shù)，主要功能需求如下：

（1） 實時接收、記錄靶機下傳的GPS導(dǎo)航電文；

（2） 數(shù)據(jù)處理軟件能夠?qū)GS?84坐標(biāo)系所確定的地理坐標(biāo)系和雷達坐標(biāo)系初始對準(zhǔn)偏差進行設(shè)置；

（3） 利用高斯投影對GPS經(jīng)緯度進行處理，給出目標(biāo)平面飛行航跡圖；

（4） 能夠把GPS經(jīng)緯度信息處理成雷達坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角信號；

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

雷達輔助目標(biāo)導(dǎo)引系統(tǒng)的控制軟件采用多線程和模塊化進行設(shè)計，通過對線程優(yōu)先級的設(shè)定來保證任務(wù)調(diào)度的完成，線程之間通過事件和共享內(nèi)存進行通信。模塊的設(shè)計的原則為高內(nèi)聚低耦合，便于系統(tǒng)的維護和升級，其具體系統(tǒng)軟件組成圖如圖1所示。由于線程較多，下面就選幾個特例加以說明。

圖1 輔助引導(dǎo)系統(tǒng)軟件組成圖

2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)控制軟件在上電或系統(tǒng)復(fù)位時，系統(tǒng)保證正常運行所完成的一系列的準(zhǔn)備工作，包括串口的打開和通信協(xié)議的設(shè)置、程序變量、線程的創(chuàng)建、定時器的開啟等初始化內(nèi)容，系統(tǒng)如果初始化失敗，給出提示并停止程序的執(zhí)行，該模塊運行在軟件的主線程。

2.2 飛行目標(biāo)位置數(shù)據(jù)處理

按照無線接收機的通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進行接收，并按照數(shù)據(jù)的校驗規(guī)則對數(shù)據(jù)進行校驗。該模塊運行在飛行目標(biāo)數(shù)據(jù)的接收線程。主要功能包括定位信息的接收、定位信息的提取。

定位信息的接收：利用RS 485接口將飛行目標(biāo)的定位信息接收到計算機中，為保證傳輸?shù)膶崟r性采用傳送效率較高的事件觸發(fā)方式接收數(shù)據(jù)，并以字節(jié)流的形式存入內(nèi)存中。

定位信息的提?。喊凑战o定的協(xié)議格式解析出所需的導(dǎo)航信息。

2.3 目標(biāo)位置解算

目前廣泛使用的GPS接收機所獲得的定位數(shù)據(jù)是基于WGS?84坐標(biāo)系，WGS?84坐標(biāo)系是一個地心地固坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點位于地球的質(zhì)心，[Z]軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向，[X]軸指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交點，[Y]軸與[X]和[Z]軸構(gòu)成右手系[4]。而雷達坐標(biāo)系建立與雷達放置方向有關(guān)，原點位于地表，[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信息對雷達進行引導(dǎo)，必須進行WGS?84坐標(biāo)系和雷達坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換[5]。

（1） 將GPS的WGS?84地球大地坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地球直角坐標(biāo)系數(shù)據(jù)[6]

設(shè)地球表面任意一點[P]在地球直角坐標(biāo)系內(nèi)表達為[P（X，Y，Z），]在地球大地坐標(biāo)系內(nèi)表達為[P（B，L，H）。]則地球大地坐標(biāo)系變?yōu)榈厍蛑苯亲鴺?biāo)系：[X=（N+H）cosBcosLY=（N+H）cosBsinLZ=N1-E2+HsinB] （1）

式中：[N]為橢球的曲率半徑；[E]為橢球的第一偏心率。在WGS?84坐標(biāo)系下[B]為緯度；[L]為經(jīng)度；[H]為高度。

設(shè)地球的長半徑為[a，]短半徑為[b，]則有：

[E=a2-b2a] （2）

[N=a1-E2sin2B] （3）

式中：[a=]6 378 137 m，[b=]6 356 752 m。

（2） 將WGS?84地球直角坐標(biāo)系變換為北東天直角坐標(biāo)系下的導(dǎo)航坐標(biāo)

設(shè)地球表面任意兩點[P]和[Q]在地球直角坐標(biāo)系內(nèi)表達為[P（XP，YP，ZP）]和[Q（XQ，YQ，ZQ），]在地球大地坐標(biāo)系內(nèi)表達為[P（B，L，H），]則由地球直角坐標(biāo)系變換到北東天坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣可表示為：

[ROP=-sinBcosL-sinBsinLcosB-sinLcosL0cosBcosLcosBsinLsinB] （4）

式中[B，L]分別為WGS?84坐標(biāo)系下[P]點的緯度和經(jīng)度。

利用旋轉(zhuǎn)矩陣對WGS?84的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)和平移，即可完成WGS?84坐標(biāo)系到北東天坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，用數(shù)學(xué)公式可將轉(zhuǎn)換過程表示為：

[NQPEQPUQP=ROPXQ-XPYQ-YPZQ-ZP=-sinBcosL-sinBsinLcosB-sinLcosL0cosBcosLcosBsinLsinBXQ-XPYQ-YPZQ-ZP] （5）

式中：[NQP，EQP，UQP]即是WGS?84在北東天直角坐標(biāo)系下點Q相對于點P的導(dǎo)航坐標(biāo)。

（3） 根據(jù)導(dǎo)航坐標(biāo)可求解目標(biāo)的方位角和高低角

知道了Q點相對于點P的導(dǎo)航坐標(biāo)，可以進一步求出Q點相對P的球坐標(biāo)系下的方位角和高低角如下：

方位角：

[β=arctanEQPNQP] （6）

高低角：

[ε=arctanUQPN2QP+E2QP] （7）

2.4 飛行目標(biāo)航跡的實時顯示、記錄和回放

對飛行目標(biāo)數(shù)據(jù)的處理，在軟件界面上實時動態(tài)的顯示，同時對數(shù)據(jù)進行記錄。通過指令按鈕可以按照目標(biāo)航跡記錄的日期進行航跡回放。

3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計

3.1 目標(biāo)預(yù)期濾波

由于通過GPS獲取到的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)滯后于目標(biāo)的實際位置，并且GPS獲取目標(biāo)的頻率低于雷達控制系統(tǒng)的帶寬頻率，如果不對接收到的數(shù)據(jù)進行濾波和外推，就會對雷達控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤精度都會有較大的影響，為滿足跟蹤控制系統(tǒng)實時性和精度要求，采用預(yù)測濾波技術(shù)來改善控制系統(tǒng)的性能。

通過預(yù)測濾波技術(shù)一方面補償GPS獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)的滯后，另一方面通過多次數(shù)據(jù)的外推與雷達伺服周期同步。由于跟蹤目標(biāo)的位置信息是一個相對有規(guī)律平穩(wěn)變化的信號，對目標(biāo)位置信號作為預(yù)測濾波的基礎(chǔ)，可得到較為準(zhǔn)確的信號。為防止通信中斷時引起的路徑外推失真，對于通信中斷設(shè)置了邊界條件，超過一定時間的通信中斷會被認定為通信故障，停止外推處理，并在通信恢復(fù)時作出一定的處理。

目前預(yù)測濾波的算法較多，這里選用較為實用最小二乘法。累加格式的最小二乘濾波需要記憶大量的測量數(shù)據(jù)，為避免這一缺點先采用累加格式最小二乘濾波確定遞推格式的最小二乘濾波初值，然后再用累加格式的最小二乘濾波，實現(xiàn)過程的數(shù)學(xué)模型如下：

累加格式的最小二乘濾波的數(shù)學(xué)模型：

[xn=3ni=1nzi-6（4n-3）n（n+1）（n+2）i=1nizi+30n（n+1）（n+2）i=1ni2zixn=6（4n-3）n（n-1）（n-2）Δti=1nzi+12（-14n2+11）n（n2-1）（n2-4）Δti=1nizi+180n（n+1）（n2-4）i=1ni2zixn=60n（n-1）（n-2）Δt2i=1nzi-360n（n-1）（n2-4）Δt2i=1nizi+360n（n2-2）（n2-4）i=1ni2zi] （8）

遞推格式的最小二乘濾波的數(shù)學(xué)模型：[xn=xn/n-1+3（3n2-3n+2）n（n+1）（n+2）（zn-xn/n-1）xn=xn/n-1+18（2n-1）n（n+1）（n+2）Δt（zn-xn/n-1）x=xn-1+60n（n+1）（n+2）Δt2（zn-xn/n-1）] （9）

式中[xn/n-1=xn-1+Δtxn-1+Δt22xn-1。]

3.2 野點剔除

由于軟件是通過無線地面接收設(shè)備實時接收來自目標(biāo)設(shè)備的GPS位置信息，實際使用中往往會出現(xiàn)通信中斷或數(shù)據(jù)失真（數(shù)據(jù)明顯偏離正常數(shù)值或無效），對于偶爾的數(shù)據(jù)丟失或失真，程序中進行了野值剔除處理，一般來說可以解決數(shù)據(jù)偶然錯誤帶來的問題。對于長時間通信中斷，在軟件上采取了濾波歸零的措施，避免了由于長時間“外推”引起的位置推算錯誤。

4 實施效果

該軟件能夠?qū)崟r顯示飛行目標(biāo)的斜距、水平距離、高度、速度、方位和俯仰等數(shù)據(jù)，將給雷達引導(dǎo)需要的方位和俯仰信息實時解算后通過RS 485總線發(fā)送給炮瞄雷達，引導(dǎo)雷達天線始終對準(zhǔn)目標(biāo)，并且實時顯示和記錄目標(biāo)的飛行軌跡，提高了試驗的成功率和準(zhǔn)確度。

輔助引導(dǎo)系統(tǒng)軟件界面如圖2所示。

圖2 輔助引導(dǎo)系統(tǒng)軟件界面圖

5 結(jié) 語

本文利用GPS技術(shù)，在不改動雷達硬件及軟件的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了輔助雷達引導(dǎo)系統(tǒng)軟件設(shè)計。該軟件能夠有效提升了炮瞄雷達使用范圍，尤其解決了小目標(biāo)、超視距地面靶試中雷達丟失目標(biāo)后無法引導(dǎo)截獲的難題，為飛行試驗提供了有力的技術(shù)保障。

該軟件通過設(shè)計一個模塊化的結(jié)構(gòu)體系，并經(jīng)編碼、調(diào)試后，在某型號經(jīng)實際應(yīng)用表明，不但具有很好的擴展性，而且運行穩(wěn)定、可靠、完全滿足對炮瞄雷達輔助引導(dǎo)的需要，從而大大提高了試驗效率和試驗結(jié)果的有效性，節(jié)約了試驗經(jīng)費和時間。

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