孫 健，楊慧武

（中國白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城137001）

彈丸飛行時(shí)間測試是靶場試驗(yàn)的一個(gè)重要測試項(xiàng)目，其測試方法主要有2種，即雷達(dá)測試和區(qū)截裝置測試［1］。輕武器彈道低伸，彈丸體積小、速度快，雷達(dá)測試存在一定難度，因此輕武器彈丸飛行時(shí)間測試大多采用區(qū)截裝置和計(jì)時(shí)儀相結(jié)合的方式，并利用信號(hào)線實(shí)現(xiàn)測量控制和數(shù)據(jù)傳輸。這種有線傳輸方式的試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長、效率低，特別是當(dāng)?shù)匦螚l件復(fù)雜導(dǎo)致無法布線時(shí)，則無法進(jìn)行試驗(yàn)。為解決這一問題，本文提出了采用無線傳輸、利用衛(wèi)星授時(shí)的彈丸飛行時(shí)間測試方法。

1 采用有線傳輸方式測試彈丸飛行時(shí)間存在的問題

1.1 有線傳輸測試方法的基本原理

輕武器彈丸飛行時(shí)間測試一般是參考槍械有效射程，測量從槍口到距槍口一定距離處彈丸的飛行時(shí)間。采用有線傳輸方式測試彈丸飛行時(shí)間的原理如圖1所示。圖1中，用紅外探測器或炮口夾作為區(qū)截裝置1來感知彈丸飛出槍口時(shí)的信號(hào)，利用傳輸電纜將該信號(hào)傳輸?shù)蕉嗦酚?jì)時(shí)儀，并用該信號(hào)啟動(dòng)多路計(jì)時(shí)儀開始計(jì)時(shí)；用廣角單幕或多幕天幕靶等作為區(qū)截裝置2感知彈丸飛躍區(qū)截裝置2的信號(hào)，用傳輸電纜將該信號(hào)傳輸?shù)蕉嗦酚?jì)時(shí)儀，并用該信號(hào)停止多路計(jì)時(shí)儀計(jì)時(shí)，此時(shí)多路計(jì)時(shí)儀記錄的時(shí)間值即為彈丸從槍口飛到區(qū)截裝置2的飛行時(shí)間［2］。

圖1 采用有線傳輸方式測試彈丸飛行時(shí)間的測試原理圖

1.2 有線傳輸測試方法存在的問題

首先，在測試彈丸飛行時(shí)間時(shí)，測試距離少則幾百m，多則上km甚至幾km，采用有線傳輸方式測試時(shí)，從槍口到測試點(diǎn)之間要布設(shè)至少一根長信號(hào)線（當(dāng)要同時(shí)測量多點(diǎn)的飛行時(shí)間時(shí)，則需要布設(shè)多根信號(hào)線），每根信號(hào)線又由多根200m長的短信號(hào)線通過連接插座連接而成，信號(hào)傳輸線路的可靠性差，試驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題，影響試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

第二，采用有線傳輸方式進(jìn)行彈丸飛行時(shí)間測試，測試前要進(jìn)行布線和設(shè)備聯(lián)調(diào)，試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長，試驗(yàn)后還要撤收電纜，人力、物力消耗大，并嚴(yán)重影響試驗(yàn)效率。特別是當(dāng)試驗(yàn)場區(qū)的地形條件比較復(fù)雜時(shí)，有可能無法完成布線，導(dǎo)致試驗(yàn)無法進(jìn)行。

2 衛(wèi)星授時(shí)的彈丸飛行時(shí)間測試方法

2.1 測試系統(tǒng)的構(gòu)成

衛(wèi)星授時(shí)的彈丸飛行時(shí)間測試系統(tǒng)主要由2套區(qū)截裝置和2套數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。其中區(qū)截裝置由炮口夾、紅外探測器和廣角天幕靶等組成；數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由多路計(jì)時(shí)儀、計(jì)算機(jī)、GPS（或北斗）時(shí)間模塊和無線傳輸模塊組成。

GPS時(shí)間模塊的功能是向多路計(jì)時(shí)儀提供秒時(shí)鐘脈沖信號(hào)（頻率為1Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)），并通過RS232接口將該秒時(shí)鐘脈沖信號(hào)的每一個(gè)正脈沖信號(hào)到來時(shí)的時(shí)間值（協(xié)調(diào)世界時(shí)，又稱世界統(tǒng)一時(shí)間、世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、國際協(xié)調(diào)時(shí)間，簡稱UTC，是以原子時(shí)秒長為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于世界時(shí)的一種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)）傳送給計(jì)算機(jī)［3－4］。

多路計(jì)時(shí)儀的功能是接收GPS時(shí)間模塊提供的秒時(shí)鐘信號(hào)，在該信號(hào)的控制下將多路計(jì)時(shí)儀記錄的時(shí)間值同步到UTC上，并完成多通道0.1μs級的計(jì)時(shí)。

計(jì)算機(jī)的功能，一是通過RS232接口接收GPS時(shí)間模塊提供的用于對多路計(jì)時(shí)儀進(jìn)行時(shí)間同步的秒時(shí)鐘脈沖到來時(shí)的時(shí)間值（UTC），精確到s；二是讀取多路計(jì)時(shí)儀紀(jì)錄的多通道0.1μs級的時(shí)間值，并將二者合成為0.1μs級以UTC的0時(shí)為基準(zhǔn)的時(shí)間值。

無線傳輸模塊的功能，一是將數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采集到的時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中；二是接收另一個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采集到的時(shí)間數(shù)據(jù)。

區(qū)截裝置用來拾取彈丸飛出槍（炮）口和彈丸飛到彈道上某一固定位置的信號(hào)，用來啟動(dòng)和停止多路計(jì)時(shí)儀計(jì)時(shí)。

圖2 衛(wèi)星授時(shí)的彈丸飛行時(shí)間測試系統(tǒng)組成原理圖

2.2 測試系統(tǒng)工作原理

衛(wèi)星授時(shí)的彈丸飛行時(shí)間測試系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星授時(shí)的彈丸飛行時(shí)間測試系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)加電后，GPS時(shí)間模塊開始向多路計(jì)時(shí)儀發(fā)送秒時(shí)鐘脈沖信號(hào)（頻率為1Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)），在每一個(gè)秒時(shí)鐘脈沖的上升沿到來時(shí)，通過RS232接口向計(jì)算機(jī)發(fā)送UTC時(shí)間數(shù)據(jù)（精確到s）。當(dāng)多路計(jì)時(shí)儀接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的復(fù)位命令后，在下一個(gè)有效的GPS秒時(shí)鐘脈沖到來時(shí)對多路計(jì)時(shí)儀進(jìn)行初始化，此時(shí)計(jì)算機(jī)通過RS232接口讀取GPS時(shí)間模塊提供的時(shí)間數(shù)據(jù)（UTC），數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)1讀取的UTC（時(shí)間值）為t11，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)2讀取的UTC（時(shí)間值）為t21，使數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)與GPS提供的UTC同步，同時(shí)多路計(jì)時(shí)儀開始計(jì)時(shí)。當(dāng)彈丸飛出槍（炮）口時(shí)，由區(qū)截裝置1給出彈丸飛出槍（炮）口的信號(hào)，使多路計(jì)時(shí)儀1停止計(jì)時(shí)，此時(shí)多路計(jì)時(shí)儀1計(jì)得的時(shí)間值為t12；當(dāng)彈丸飛過區(qū)截裝置2時(shí)，由區(qū)截裝置2給出彈丸飛過區(qū)截裝置2的信號(hào)，使多路計(jì)時(shí)儀2停止計(jì)時(shí)，此時(shí)多路計(jì)時(shí)儀2計(jì)得的時(shí)間值為t22。由此可以得到彈丸飛出槍（炮）口的時(shí)間t1＝t11＋t12（0.1μs級以UTC的0時(shí)為基礎(chǔ)的時(shí)間值），彈丸飛過區(qū)截裝置2的時(shí)間t2＝t21＋t22（0.1μs級以UTC的0時(shí)為基準(zhǔn)的時(shí)間值），再由無線傳輸模塊將t2傳送到數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)1，則彈丸從出槍（炮）口飛行至區(qū)截裝置2的飛行時(shí)間t＝t2－t1。

3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由多路計(jì)時(shí)儀、GPS時(shí)間模塊、無線傳輸模塊、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)和數(shù)據(jù)采集與處理軟件組成（參見圖2）。

3.2 多路計(jì)時(shí)儀設(shè)計(jì)

多路計(jì)時(shí)儀由信號(hào)調(diào)理器、存儲(chǔ)器寫控制信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)存儲(chǔ)器、時(shí)間存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器、I／O接口、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器和同步處理電路組成，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成原理圖

圖4 中區(qū)截裝置的作用是拾取彈丸位置信號(hào)，用來啟動(dòng)和停止多路計(jì)時(shí)儀計(jì)時(shí)。

信號(hào)調(diào)理器的作用是將區(qū)截裝置提供的彈丸位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為寬度為10μs、幅度為TTL電平的低電平信號(hào)。

存儲(chǔ)器寫控制信號(hào)發(fā)生器的作用是在時(shí)鐘脈沖信號(hào)的上升沿到來時(shí)將觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換為寬度為一個(gè)時(shí)鐘周期、幅度為TTL電平的低電平信號(hào)，即觸發(fā)信號(hào)信息；在該時(shí)鐘脈沖信號(hào)的下降沿到來時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)寬度為半個(gè)時(shí)鐘周期、幅度為TTL電平的低電平信號(hào)，即存儲(chǔ)器寫控制信號(hào)，在該信號(hào)的作用下，將觸發(fā)信號(hào)信息存入信號(hào)存儲(chǔ)器，將觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)的時(shí)間信息（計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值）存入時(shí)間存儲(chǔ)器。

信號(hào)存儲(chǔ)器的作用是用來存儲(chǔ)觸發(fā)信號(hào)信息。該存儲(chǔ)器由1 024×c（深度為1 024，寬度為c，且c等于多路計(jì)時(shí)儀的通道數(shù)）、帶獨(dú)立讀寫指針（讀指針和寫指針獨(dú)立）和空標(biāo)志位、可清除的先入先出存儲(chǔ)器構(gòu)成。當(dāng)通道數(shù)較少時(shí)，存儲(chǔ)器的位數(shù)c一般與計(jì)時(shí)儀的通道數(shù)一致；當(dāng)通道數(shù)較多時(shí)，為了減少存儲(chǔ)器的位數(shù)（主要是為了減少硬件的數(shù)量），可以采用分區(qū)編碼技術(shù)。例如當(dāng)通道數(shù)為64時(shí)，如不采用分區(qū)編碼技術(shù)，則信號(hào)存儲(chǔ)器的位數(shù)c應(yīng)為64；若將64個(gè)觸發(fā)信號(hào)分成8個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)中有8個(gè)觸發(fā)信號(hào)，則只需要16（c為16）位信號(hào)存儲(chǔ)器就能滿足要求。

時(shí)間存儲(chǔ)器的作用是用來存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器記錄的時(shí)間信息。該存儲(chǔ)器由1 024×16（深度為1 024，寬度為16）、帶獨(dú)立讀寫指針（讀指針和寫指針獨(dú)立）和空標(biāo)志位、可清除的先入先出存儲(chǔ)器構(gòu)成。

計(jì)數(shù)器的作用是用來對計(jì)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。該計(jì)數(shù)器采用硬件和軟件相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)，硬件計(jì)數(shù)部分為帶進(jìn)位端可同步清除的16位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)時(shí)鐘頻率為10MHz時(shí)，最大計(jì)時(shí)時(shí)間為6.553 6ms，即每隔6.553 6ms產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)；軟件計(jì)數(shù)部分是在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中開辟一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)（假設(shè)該存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)字用a表示），計(jì)算機(jī)每檢測到一個(gè)低16位計(jì)數(shù)器（硬件計(jì)數(shù)器）輸出的進(jìn)位信號(hào)后，將該存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)字a加1，如低16位計(jì)數(shù)器（硬件計(jì)數(shù)器）記錄的計(jì)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)用b表示，則計(jì)時(shí)儀記錄的時(shí)間值t＝6 553.6a＋b，單位為μs。

時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的作用是為多路計(jì)時(shí)儀提供計(jì)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)。該時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器采用高穩(wěn)定度的恒溫晶體振蕩器設(shè)計(jì)，其輸出的時(shí)鐘信號(hào)的頻率為10MHz，幅度為TTL電平，占空比為50%的方波信號(hào)，因此時(shí)間分辨率為0.1μs。

同步處理電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)低電平的復(fù)位信號(hào)，用來對多路計(jì)時(shí)儀進(jìn)行初始化（即清零），使多路計(jì)時(shí)儀的零時(shí)與UTC的秒時(shí)間一致。

3.3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)加電后，GPS時(shí)間模塊開始向多路計(jì)時(shí)儀發(fā)送秒時(shí)鐘脈沖信號(hào)（頻率為1Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)），在每一個(gè)秒時(shí)鐘脈沖的上升沿到來時(shí)，通過RS232接口向計(jì)算機(jī)發(fā)送GPS（UTC）時(shí)間數(shù)據(jù)（精確到s）。當(dāng)多路計(jì)時(shí)儀接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的初始化控制信號(hào)后，在下一個(gè)有效的GPS秒時(shí)鐘脈沖信號(hào)的上升沿到來時(shí)產(chǎn)生一個(gè)寬度為一個(gè)GPS秒時(shí)鐘脈沖信號(hào)周期（1s）的低電平信號(hào)，即時(shí)間同步信號(hào)（復(fù)位信號(hào)），對計(jì)數(shù)器、信號(hào)存儲(chǔ)器和時(shí)間存儲(chǔ)器進(jìn)行初始化清零，同時(shí)將該信號(hào)通過I／O接口發(fā)送給計(jì)算機(jī)；當(dāng)時(shí)間同步信號(hào)結(jié)束后（上升沿到來時(shí)），計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)算機(jī)通過I／O接口讀取GPS時(shí)間模塊發(fā)送的GPS時(shí)間數(shù)據(jù)t11。當(dāng)區(qū)截裝置產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)通過電纜送至數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理器后，由信號(hào)調(diào)理器將其調(diào)整為寬度為10μs、幅度為TTL電平的低電平觸發(fā)信號(hào)；存儲(chǔ)器寫控制信號(hào)發(fā)生器接收到信號(hào)調(diào)理器輸出的觸發(fā)信號(hào)后，在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)的上升沿到來時(shí)將觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換為寬度為一個(gè)時(shí)鐘周期、幅度為TTL電平的低電平信號(hào)，即觸發(fā)信號(hào)信息；在該時(shí)鐘脈沖信號(hào)的下降沿到來時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)寬度為半個(gè)時(shí)鐘周期、幅度為TTL電平的低電平信號(hào)，即存儲(chǔ)器寫控制信號(hào)，在該信號(hào)的作用下，將觸發(fā)信號(hào)信息存入信號(hào)存儲(chǔ)器，將觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)的時(shí)間信號(hào)（計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值）存入時(shí)間存儲(chǔ)器；計(jì)算機(jī)通過I／O接口將存儲(chǔ)在信號(hào)存儲(chǔ)器和時(shí)間存儲(chǔ)器中的觸發(fā)信號(hào)信息和觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)的時(shí)間信息讀出，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行分析、計(jì)算和處理，即可得到多路計(jì)時(shí)儀記錄的彈丸飛過區(qū)截裝置的時(shí)間值t12（相對于系統(tǒng)初始化時(shí)的GPS時(shí)間t11），則彈丸飛過區(qū)截裝置的時(shí)間值t1＝t11＋t12。

3.4 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件介紹

數(shù)據(jù)采集與處理軟件的功能，一是對數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行同步控制，即系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過I／O口向同步處理電路發(fā)送初始化控制命令，使數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)與下一個(gè)有效的GPS秒時(shí)鐘脈沖信號(hào)同步，同時(shí)讀取該時(shí)刻GPS時(shí)間值；二是采集測試數(shù)據(jù)，即將存儲(chǔ)在信號(hào)存貯器中的觸發(fā)信號(hào)信息和進(jìn)位信號(hào)信息及存儲(chǔ)在時(shí)間存儲(chǔ)器中的時(shí)間信息讀入計(jì)算機(jī)中，并將其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中；三是將數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)1測得的彈丸飛出槍口的時(shí)間值t1傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)2，將數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)2測得的彈丸飛過區(qū)截裝置2的時(shí)間值t2傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)1；四是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即根據(jù)設(shè)定的程序和數(shù)據(jù)處理方法對存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，計(jì)算出所需結(jié)果；五是顯示輸出結(jié)果，即將分析、處理所得數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示并送打印機(jī)輸出。

數(shù)據(jù)采集與處理軟件運(yùn)行的環(huán)境適用當(dāng)前主流操作系統(tǒng)，既 Windows9X、Windows2000和 WindowsXP。因此必須設(shè)計(jì)上述3種操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，該軟件能自動(dòng)識(shí)別操作系統(tǒng)，自動(dòng)安裝相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

4 結(jié)束語

采用本文方法研制了一套基于GPS的彈丸飛行時(shí)間測試系統(tǒng)，由于GPS受時(shí)系統(tǒng)（GPS時(shí)間模塊）的受時(shí)精度可以達(dá)到40ns以上，多路計(jì)時(shí)儀本身的計(jì)時(shí)精度也可以達(dá)到10－7以上（恒溫晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度可以達(dá)到10－9和10－8）。使用該方法與有線傳輸?shù)膹椡栾w行時(shí)間測試方法進(jìn)行對比測試，其相對誤差優(yōu)于10－7（GPS受時(shí)系統(tǒng)帶來的誤差），而試驗(yàn)效率可以提高3倍以上。

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［2］董濤，倪晉平，馬時(shí)亮.基于天幕靶的彈丸飛行時(shí)間計(jì)算方法［J］.探測與控制學(xué)報(bào)，2007，29（3）：29－33.DONG Tao，NI Jin－ping，MA Shi－liang.A method of computing the pill flying time based on shy screens［J］.Journal of Detection ＆ Control，2007，29（3）：29－33.（in Chinese）

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