秦亮

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南　洛陽　471009）

一種地面對靶發(fā)射試驗方法的設(shè)計分析

秦亮

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009）

空空導(dǎo)彈研制過程需要進(jìn)行一系列地面對靶發(fā)射試驗，以解決導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)對真實目標(biāo)的截獲跟蹤能力。傳統(tǒng)的地面引導(dǎo)系統(tǒng)使用高精度雷達(dá)，這種雷達(dá)波束很窄，地面試驗中雷達(dá)一旦跟蹤過程出現(xiàn)丟失目標(biāo)無法引導(dǎo)的情況，就會導(dǎo)致試驗無法進(jìn)行。本文利用靶機下傳的GPS信息，通過GPS地面接收系統(tǒng)接收和數(shù)據(jù)處理計算機處理后，形成引導(dǎo)地面發(fā)射系統(tǒng)所需的俯仰、方位和導(dǎo)彈所需的飛行任務(wù)。該方法省去了傳統(tǒng)所必須的雷達(dá)，并且徹底解決了小目標(biāo)、超視距地面靶試中雷達(dá)無法穩(wěn)定跟蹤的問題，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。

空空導(dǎo)彈；炮瞄雷達(dá)；飛行任務(wù)；坐標(biāo)變換；GPS靶機

空空、地空導(dǎo)彈研制過程中需要在靶場進(jìn)行大量的地面對靶發(fā)射試驗，以檢驗產(chǎn)品研制各個階段的技術(shù)狀態(tài)，該試驗的前提是必須保持地面跟蹤設(shè)備對目標(biāo)的穩(wěn)定截獲，以完成給產(chǎn)品裝訂飛行任務(wù)等一系列操作［1］。傳統(tǒng)的地面對靶發(fā)射試驗是使用一種高精度炮瞄雷達(dá)為導(dǎo)彈指引目標(biāo)，而這種雷達(dá)波束很窄，不具備大范圍自動搜索功能［2］，實際使用中需要目標(biāo)搜索雷達(dá)完成目標(biāo)的搜索和截獲，如圖1所示。隨著模擬隱身目標(biāo)的小型無人靶機技術(shù)的成熟和在地面對靶發(fā)射試驗中的應(yīng)用，給地面搜索和截獲雷達(dá)提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，在試驗中一旦目標(biāo)丟失，很難再次跟蹤截獲，造成了大量的人力、物力、財力的浪費和試驗的失敗。

本文就是利用日益廣泛使用的GPS全球定位技術(shù)，設(shè)計一種基于GPS的全新地面對靶發(fā)射試驗方法，來取代傳統(tǒng)的基于雷達(dá)的地面對靶發(fā)射系統(tǒng)，為飛行試驗節(jié)約了時間和成本，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

圖1　傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)組成圖

1　方案設(shè)計

1.1系統(tǒng)組成及工作原理

該方法與傳統(tǒng)的基于雷達(dá)的地面對靶發(fā)射控制系統(tǒng)有所不同，它主要有靶機GPS發(fā)射系統(tǒng)，地面GPS接收系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，地面發(fā)射系統(tǒng)等組成，如圖2所示。其中，靶機GPS發(fā)射系統(tǒng)主要包括安裝在靶機上的GPS接收天線、GPS接收機、功率放大器、數(shù)傳電臺以及全向發(fā)射天線等，它主要實現(xiàn)靶機GPS信號的接收、放大和發(fā)送。地面接收系統(tǒng)包括接收天線、功率放大器、數(shù)傳電臺和射頻線等，主要實現(xiàn)對靶機發(fā)射的GPS信息的接收和射頻到基帶的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要后數(shù)據(jù)處理計算機、總線接口以及處理軟件組成，其中數(shù)據(jù)處理計算機是整個系統(tǒng)的控制中心，用于獲取發(fā)射系統(tǒng)原點的GPS位置，通過專用的數(shù)據(jù)處理軟件把WGS-84系下的靶機GPS位置（經(jīng)度L、緯度B、海高H）轉(zhuǎn)換成空間直角坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)（X，Y，Z），再轉(zhuǎn)換成導(dǎo)彈所需要的慣性系下的信息。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組要有總線接口、數(shù)據(jù)傳輸線纜組成，主要完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。地面發(fā)射系統(tǒng)主要有隨動平臺，發(fā)射裝置、以及操作臺燈組成，主要實現(xiàn)導(dǎo)彈產(chǎn)品的掛裝，校靶以及發(fā)射控制等功能。

圖2　基于GPS靶機的系統(tǒng)組成圖

目標(biāo)信息的解算

要想實現(xiàn)地面對靶發(fā)射試驗，完成給導(dǎo)彈傳遞飛行任務(wù)的功能，首先需要將靶機的GPS位置和速度信息結(jié)算到導(dǎo)彈所在的慣性坐標(biāo)系中。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，而雷達(dá)慣性坐標(biāo)系建立與雷達(dá)位置和方向有關(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信息對導(dǎo)彈進(jìn)行指示引導(dǎo)，必須進(jìn)行WGS-84坐標(biāo)系和雷達(dá)慣性坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換［3］。

a）WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地球直角坐標(biāo)系

假如地球表面一點P在地球直角坐標(biāo)系內(nèi)為P（X，Y，Z），在大地坐標(biāo)系內(nèi)為P（B，L，H），則大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變直角坐標(biāo)系：

式中N為橢球的曲率半徑，E為第一偏心率，B為緯度，L為經(jīng)度，H為高度（WGS84系）。

地球的長短半徑分別為a、b，則：

b）地球直角坐標(biāo)系變換為慣性系下的導(dǎo)航坐標(biāo)

式中B、L分別為WGS84坐標(biāo)系下P點的緯度和經(jīng)度。

利用旋轉(zhuǎn)矩陣對WGS84的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)和平移，即可完成WGS84坐標(biāo)系到北東天坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換：

2　系統(tǒng)誤差分析

要想實現(xiàn)用GPS信息取代雷達(dá)引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊靶機，并給導(dǎo)彈傳遞所需要的飛行任務(wù)，完成對目標(biāo)的攻擊，最重要的要保證整個系統(tǒng)的動態(tài)誤差在導(dǎo)彈可接收的范圍，這樣才能保證導(dǎo)彈中末制導(dǎo)交接的順利完成，下面探討下影響整個試驗結(jié)果的幾個關(guān)鍵因素。

2.1數(shù)據(jù)實時性

與傳統(tǒng)雷達(dá)不同，基于GPS靶機的數(shù)據(jù)天地傳輸路徑為：衛(wèi)星--天線--＞靶機GPS接收機--＞數(shù)傳電臺--＞發(fā)射電線；地面?zhèn)鬏斅窂綖椋航邮仗炀€--＞數(shù)傳電臺--RS232--＞數(shù)據(jù)處理計算機--RS485--＞適配器--＞隨動平臺。其中，GPS數(shù)據(jù)下傳速率取決于GPS接收模塊的最大數(shù)據(jù)輸出率，目前我們常用的車載或手機的GPS模塊為1Hz，無法滿足定位誤差和實時性要求，本方案中我們選用JAVAD JGG100，它的數(shù)據(jù)輸出率最大為20Hz，定位誤差為實時誤差±15m，實時測速誤差為±1m/s。這樣天地傳輸延時最大延時0.05s；根據(jù)美國國家海洋電子協(xié)會的NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，我們選取$GPGGA進(jìn)行傳輸，RS232的數(shù)據(jù)傳輸波特率為9600bps，傳輸?shù)耐暾粠瑪?shù)據(jù)長度為94個字，加上起始位和停止位（無奇偶校檢位）約為9400個位，時間大約為0.1s；數(shù)據(jù)處理計算機給適配器發(fā)送數(shù)據(jù)周期是24ms，RS485的數(shù)據(jù)傳輸波特率為38.4kbps，每幀傳送210個字，加上起始位、停止位和奇偶校檢位，約2310個位，時間延遲大約為0.06s；數(shù)傳電臺、數(shù)據(jù)處理計算機以及適配器的數(shù)據(jù)處理時間都是毫秒級，可以忽略不計，所以整個鏈路數(shù)據(jù)傳輸時間延遲約為0.11s。

這樣從靶機上的GPS接收機接收到GPS信息到數(shù)據(jù)處理計算機將接收到的GPS信息處理成隨動平臺和導(dǎo)彈各自需要的目標(biāo)信息，所需要的時間大約為0.11s，目前所需要的靶機一般速度為亞音速，也就是說靶機在這段時間內(nèi)最大的飛行距離為0.11s×340m/s=37.4m。以美國AIML/M響尾蛇導(dǎo)彈最大射程7Km計算，由于GPS實時傳輸而引起的引導(dǎo)跟蹤最大實時誤差為0.306°，完全滿足導(dǎo)彈引導(dǎo)要求。

2.2信號丟失問題

由于目前我們使用的GPS衛(wèi)星波段為民用的L1波段（中心頻率為1575.42MHz），容易受到遮擋而出現(xiàn)信號丟失的問題，在真正的地面對靶發(fā)射試驗中，靶機在飛行過程中為了完成固定的航線，必然出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎或者翅膀抖動的現(xiàn)象，這樣就可能造成GPS信息的丟成。在GPS數(shù)據(jù)丟失期間，地面發(fā)射系統(tǒng)因收不到目標(biāo)的俯仰和方位而無法進(jìn)行實時跟蹤，導(dǎo)彈無法更新飛行任務(wù)，這樣就會增加整個引導(dǎo)的動態(tài)誤差，當(dāng)動態(tài)誤差達(dá)到導(dǎo)彈無法接受的程度，就可能出現(xiàn)地面導(dǎo)彈無法跟蹤上目標(biāo)靶機，造成試驗的暫時性中斷，給試驗帶來了安全隱患。為了消除由于靶機抖動或轉(zhuǎn)彎造成的GPS信息丟失的問題，軟件上可以采用濾波算法，如果GPS信息丟失后進(jìn)進(jìn)行遞推，硬件上可以采用目前較為成熟的GPS天線陣列設(shè)計，在靶機的對稱翅膀上安裝GPS天線陣，這樣無論靶機怎樣抖動，總有至少一個GPS接收天線朝向衛(wèi)星，從而避免了由于遮擋而造成GPS信號丟失的問題。

2.3靶機影響

除了上述影響因素之外，靶機的飛行姿態(tài)也會對動態(tài)誤差有影響。由于動態(tài)誤差只與導(dǎo)彈對靶機視線的切線角速率有關(guān)，如果靶機沿導(dǎo)彈視線方向飛行，那么理論上GPS引導(dǎo)的動態(tài)為零。只有靶機沿導(dǎo)彈對靶機視線的切線方向飛行，靶機的飛行速度才能對動態(tài)誤差產(chǎn)生最大的影響。而實際使用中，一般設(shè)計靶機對地面發(fā)射系統(tǒng)的航路捷徑為1～2Km，這樣實際使用中導(dǎo)彈對靶機視線的切線角速率往往變化很小。

3　結(jié)語

本文利用靶機下傳的GPS信息，通過GPS地面接收系統(tǒng)接收和數(shù)據(jù)處理計算機處理后，通過專用的數(shù)據(jù)處理軟件把WGS-84系下的靶機GPS位置轉(zhuǎn)換成導(dǎo)彈所需要的北東天慣性系下的信息，經(jīng)特定格式打包后引導(dǎo)地面發(fā)控系統(tǒng)，并形成導(dǎo)彈所需的飛行任務(wù)。此方法在地面發(fā)控系統(tǒng)中省去了傳統(tǒng)所必須的雷達(dá)，并且徹底解決了小目標(biāo)、超視距地面靶試中雷達(dá)無法穩(wěn)定跟蹤的問題，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。

［1］王德周，李耀民.基于GPS技術(shù)輔助雷達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2013（1）.139-141.

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S223.2

A

1003-5168（2015）-12-0055-2

秦亮（1987-），男，碩士，研究方向：導(dǎo)彈飛行試驗研究。