申玉玲，謝　銳，李新娥，閆宏彪，丁永紅，尤文斌，崔麗麗

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051）

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彈載記錄儀回收無線電定位系統(tǒng)

申玉玲1，2，謝銳1，2，李新娥1，2，閆宏彪1，2，丁永紅1，2，尤文斌1，2，崔麗麗1，2

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051）

摘要：針對現(xiàn)有彈載記錄儀回收方法存在的效率低、功耗大等不足，設(shè)計(jì)應(yīng)用于彈載記錄儀回收的新型低功耗無線電搜尋定位系統(tǒng)。該無線電搜尋定位系統(tǒng)搭載于無人機(jī)，主要由無線通信模塊、GPS定位模塊、Flash存儲模塊、中央控制模塊等構(gòu)成。載有信標(biāo)裝置的彈載記錄儀著地后，無線通信模塊接收信標(biāo)發(fā)射的無線電波，GPS定位模塊定位無人機(jī)對應(yīng)坐標(biāo)，中央控制模塊將無線電信號強(qiáng)度值和對應(yīng)GPS坐標(biāo)存儲于Flash芯片，無人機(jī)工作一定時(shí)間后返回，上位機(jī)讀取存儲信息，利用RSSI定位算法和三邊測量方法估算信標(biāo)位置，從而快速回收彈載記錄儀。通過定點(diǎn)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證該定位系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性，為以后的彈載記錄儀回收提供有效的方法。

關(guān)鍵詞：無線電；彈載記錄儀回收；RSSI定位算法；三邊測量方法

0　引言

隨著存儲測試技術(shù)的迅速發(fā)展，記錄儀廣泛應(yīng)用于航空航天以及軍事領(lǐng)域[1]。彈載記錄儀能夠有效存儲導(dǎo)彈、飛行器導(dǎo)彈發(fā)射及飛行過程的各項(xiàng)參數(shù)，如飛行高度、速度、加速度、運(yùn)行軌跡等信息，所以記錄儀的研究對航空航天事業(yè)尤為重要[2]。然而彈載記錄儀試驗(yàn)后落地范圍大多是沙漠、戈壁等復(fù)雜環(huán)境，使得人工搜尋成本高、時(shí)間長、工程進(jìn)度慢[3]。目前搜尋彈載記錄儀主要技術(shù)手段有顏色指示、氣味識別、光學(xué)指示等，但其實(shí)質(zhì)還是依靠人力進(jìn)行搜尋。現(xiàn)階段的無線電依靠GPS/北斗衛(wèi)星、GPRS等進(jìn)行定位、實(shí)時(shí)監(jiān)控，但彈載記錄儀體積及功耗成為制約其發(fā)展的因素[4-5]。

無人機(jī)外形結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉，可在空中長時(shí)間飛行等優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域[6]。另外，無線電信號抗干擾能力強(qiáng)，其定位技術(shù)準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)、使用方便，也得到廣泛應(yīng)用[7]。

所以，針對現(xiàn)有彈載記錄儀回收方法存在的效率低、功耗大等不足，本文設(shè)計(jì)了一種新型低功耗的基于無人機(jī)的無線電搜尋定位系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)組成

應(yīng)用于彈載記錄儀回收的無線電搜尋定位系統(tǒng)由無線通信模塊、GPS定位模塊、Flash存儲單元、中央控制單元、電源管理模塊等組成，其構(gòu)成框圖如圖1所示。無線通信模塊主要與信標(biāo)裝置進(jìn)行通信，接收信標(biāo)裝置發(fā)射的特定頻率信號，并傳給中央控制單元；GPS定位模塊定位無人機(jī)位置坐標(biāo)信息；中央控制單元是系統(tǒng)核心部分，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)中各模塊間的協(xié)調(diào)工作；Flash存儲單元將接收的信號強(qiáng)度值和對應(yīng)無人機(jī)的GPS坐標(biāo)信息存儲起來；電源管理模塊有效配置系統(tǒng)電源，給系統(tǒng)各單元有效提供電壓。

1.2系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程為：1）彈載記錄儀落地后，與其共用殼體的信標(biāo)裝置進(jìn)入信號發(fā)射模式，持續(xù)工作3 min后進(jìn)入低功耗休眠模式，休眠15s后再次進(jìn)入發(fā)射模式，如此循環(huán)；2）搭載于無人機(jī)的無線通信模塊進(jìn)入接收模式，開始搜尋并接收信標(biāo)信號，GPS定位模塊時(shí)刻定位無人機(jī)位置坐標(biāo)，搜尋定位系統(tǒng)的控制單元將接收的無線電信號強(qiáng)度和相對應(yīng)無人機(jī)GPS信息存儲于Flash存儲模塊；3）無人機(jī)工作完成后返回，上位機(jī)通過RS232串口讀取存儲模塊的信號強(qiáng)度值和相應(yīng)GPS信息，利用合適的定位算法進(jìn)行信標(biāo)發(fā)射信號位置解算，從而估算出信標(biāo)裝置位置，即彈載記錄儀位置。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

2　無線電定位原理

2.1無線電定位方式

通過無線電波的發(fā)射與接收，測量目標(biāo)相對于發(fā)射臺的方向、距離等定位參量，估計(jì)目標(biāo)位置的過程稱為無線電定位過程[8]，如圖2所示。

圖2　無線電定位過程結(jié)構(gòu)圖

無線電定位方式主要有兩種：1）借助GPS定位方式，就是在待測目標(biāo)上裝有GPS定位模塊，并將自身GPS位置信息發(fā)送給定位接收機(jī)進(jìn)行定位；2）基于基站定位方式，就是利用定位算法解析發(fā)射電波特征值以及位置信息來定位。根據(jù)信號特征值不同，定位算法包括單點(diǎn)測量定位（SM）、到達(dá)角度（AOA）、到達(dá)時(shí)間（TOA）、到達(dá)時(shí)間差（TDOA）、基于信號強(qiáng)度（RSSI）等。

2.2RSSI定位算法

無線電波依靠介質(zhì)在空間傳播，然而實(shí)際環(huán)境中有高山、樓房等障礙物，情況復(fù)雜，所以無線電的傳播過程中會有不同程度的損耗。

對數(shù)-距離路徑損耗模型信號傳播的衰減模型[9]為

式中：RSSI（d）——接收節(jié)點(diǎn)d處接收的信號強(qiáng)度值，dB；

RSSI（d0）——參考節(jié)點(diǎn)d0處接收到的信號強(qiáng)度值，dB；

β——路徑損耗因子；

δ——均值為零的高斯分布的隨機(jī)噪聲值。

2.3三邊測量定位原理

如圖3所示，O1、O2、O3為位置已知的3個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度值可以計(jì)算出自身與信標(biāo)發(fā)射節(jié)點(diǎn)距離。設(shè)3個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算的距離分別為d1、d2、d3，然后以O(shè)1、O2、O3為圓心，d1、d2、d3為半徑分別作圓。

圖3　三邊測量定位原理圖

已知接收節(jié)點(diǎn)位置信息，選擇恰當(dāng)原點(diǎn)并建立直接坐標(biāo)系。假設(shè)圖3中接收節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)分別為O1（x1，y1）、O2（x2，y2）、O3（x3，y3），未知的發(fā)射節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)為M（x，y），根據(jù)計(jì)算距離的公式則可以得到以下非線性方程組：

如圖3所示，3個(gè)圓兩兩相交，設(shè)圓O1、O2的交點(diǎn)為A、E，圓O2、O3交點(diǎn)為B、F，圓O1、O3的交點(diǎn)為C、G，A、B、C為公共三角區(qū)域（即圖中黑色區(qū)域）的3個(gè)頂點(diǎn)。通過3個(gè)圓兩兩建立方程組，即可求得6個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)。

O1、O2、O33個(gè)接收節(jié)點(diǎn)位置信息可以通過無人機(jī)上GPS定位模塊獲得，d1、d2、d33個(gè)距離值通過無人機(jī)上無線通信模塊接收的信號強(qiáng)度，并利用RSSI定位算法計(jì)算得到。

3　定點(diǎn)模擬試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)過程

設(shè)定一個(gè)模擬的定位搜索環(huán)境，將搜尋定位系統(tǒng)架設(shè)在一定高度以模擬無人機(jī)的飛行高度。搜尋定位系統(tǒng)與信標(biāo)裝置處的測試人員持對講機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)模擬試驗(yàn)。信標(biāo)裝置處測試人員先啟動信標(biāo)裝置，然后觀察信標(biāo)裝置上的狀態(tài)指示燈，信標(biāo)裝置處于正常工作狀態(tài)后開始模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)過程為：

1）首先確定信標(biāo)裝置GPS坐標(biāo)和搜尋定位系統(tǒng)所在位置對應(yīng)的GPS坐標(biāo)。

2）信標(biāo)裝置開啟正常工作后，信標(biāo)裝置處測試人員利用對講機(jī)將信息傳給搜尋定位系統(tǒng)處的測試人員，搜尋人員開啟搜尋定位系統(tǒng)。

3）觀測搜尋定位系統(tǒng)的工作狀態(tài)指示燈情況?；厥账褜ざㄎ幌到y(tǒng)后，讀取系統(tǒng)存儲的GPS位置信息和接收到的信標(biāo)裝置發(fā)送的特定頻率無線電信號強(qiáng)度值，計(jì)算機(jī)軟件利用這些信息將信標(biāo)裝置的位置計(jì)算出來，將讀出的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)開始時(shí)測得的搜尋定位系統(tǒng)GPS坐標(biāo)進(jìn)行比較。經(jīng)過定位算法估算后的坐標(biāo)與信標(biāo)裝置處的GPS位置信息進(jìn)行對比。

3.2數(shù)據(jù)處理

開始時(shí)測得選定的3點(diǎn)GPS位置信息分別為（38°1.043＇N，112°26.946＇E）、（38°1.033＇N，112°26.916＇E）、（38°1.063＇N，112°26.956＇E），信標(biāo)裝置位置信息為（38°0.032＇N，112°26.846＇E）?；厥账褜ざㄎ幌到y(tǒng)后讀取數(shù)據(jù)，每個(gè)定點(diǎn)采集5個(gè)數(shù)據(jù)，無線電信號強(qiáng)度取均值。

將上述數(shù)據(jù)代入無線電傳播模型，應(yīng)用RSSI定位算法估算出的信標(biāo)裝置位置為（38°0.043＇N，112°26.936＇E）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明搜尋定位系統(tǒng)GPS的存儲信息與實(shí)際位置信息一致，定位估算的信標(biāo)裝置坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)偏差約為350m。

4　系統(tǒng)參數(shù)對定位誤差影響分析

4.1信標(biāo)發(fā)射周期

信標(biāo)裝置安裝于彈載記錄儀內(nèi)部，依靠電池供電，其功耗不可忽視。所以彈載記錄儀落地后信標(biāo)裝置間斷地向外發(fā)射無線電波，無人機(jī)搭載的搜尋定位系統(tǒng)在空中飛行并接收該周期信號，圖4為信標(biāo)發(fā)射周期與系統(tǒng)定位誤差關(guān)系曲線。

從圖中可以看出，定位誤差隨信標(biāo)發(fā)射周期的增大而降低，然后逐漸趨于一個(gè)定值。當(dāng)信標(biāo)發(fā)射周期較小時(shí)，無人機(jī)搜尋定位系統(tǒng)確定的幾個(gè)接收節(jié)點(diǎn)間距較小、分布密集，所以算法誤差較大，對未知信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位誤差就較大；當(dāng)信標(biāo)發(fā)射周期增大時(shí),無人機(jī)搜尋定位系統(tǒng)確定的幾個(gè)接收節(jié)點(diǎn)間距變大、分布相對較均勻，對未知信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位誤差就會減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4　信標(biāo)發(fā)射周期對系統(tǒng)定位誤差影響

4.2RSSI取值

由于無人機(jī)搭載的搜尋定位系統(tǒng)接收的信號強(qiáng)度值受環(huán)境影響和天線角度影響較大，所以測得的RSSI值具有隨機(jī)性。為了減小隨機(jī)性給測量精度帶來的影響，可以在同一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，多次搜集該點(diǎn)接收的信號強(qiáng)度值，然后取這些信號強(qiáng)度的平均值。圖5為接收信號強(qiáng)度RSSI的一次取值和多次取值然后平均對系統(tǒng)定位誤差影響的比較。從圖中可以看出，取RSSI的平均值可以有效防止隨機(jī)性、降低系統(tǒng)定位誤差，并且測量距離越遠(yuǎn)，誤差越大。

圖5　RSSI取值對系統(tǒng)定位誤差的影響

4.3無人機(jī)飛行速度

帶有無線通信模塊和GPS定位模塊的搜尋定位系統(tǒng)搭載于無人機(jī)上，無人機(jī)以一定的高度在空中飛行采集信標(biāo)發(fā)射的無線電信號和GPS位置信息。無人機(jī)的飛行速度影響其確定的接收節(jié)點(diǎn)位置分布以及個(gè)數(shù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)定位誤差，如圖6所示。

當(dāng)飛行速度很低時(shí)，采集的接收節(jié)點(diǎn)分布密集，定位誤差較大；當(dāng)飛行速度逐漸變大時(shí)，采集的接收節(jié)點(diǎn)分布均勻，定位誤差區(qū)域穩(wěn)定且較?。划?dāng)飛行速度太快時(shí)，采集的接收節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)很少，彼此距離太遠(yuǎn)，定位誤差反而變大。

圖6　無人機(jī)飛行速度對系統(tǒng)定位誤差影響

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于彈載記錄儀回收的無人機(jī)無線電搜尋定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效減小彈載記錄儀信標(biāo)體積、降低信標(biāo)功耗，能有效縮小記錄儀搜尋范圍，定位效果良好，并能快速回收彈載記錄儀。定點(diǎn)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)高效的定位性能，為以后記錄儀搜尋提供了有效的新方法。

不同環(huán)境下系統(tǒng)性能測試、減小系統(tǒng)誤差以及系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用是下一步主要研究工作。

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（編輯：莫婕）

Radio positioning system for missile borne recorder recovery

SHEN Yuling1，2，XIE Rui1，2，LI Xin’e1，2，YAN Hongbiao1，2，DING Yonghong1，2，YOU Wenbin1，2，CUI Lili1，2
（1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Danamic Measurement，Ministry of Education China，North University of China，Taiyuan 030051，China；2. Science and Technology on Electric Test & Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract:A new type of low -power radio searching and positioning system is designed for recovering missile-borne recorders. The system mounted on an unmanned aerial vehicle（UAV）is composed of a wireless communication module，a GPS positioning module，a FLASH memory module and a central control module. After the recorder with a beacon device is landed，the wireless communication module received the radio wave emitted by the beacon and the GPS positioning module located the UAV coordinates. Then，the central control module stored the radio signal strengths and their GPS coordinates in the Flash chip. After running a certain period of time，the UAV returned，and meantime the host computer begins to read the stored data. Next，the beacon position is estimated with RSSI positioning algorithm and three-edge measuring method so that the missile-borne recorder can quickly recovered. The fixed-point simulation test has verified the realization of the system and has provided a new approach for reusing missile borne recorders.

Keywords:radio；missile borne recorder recovery；RSSI positioning algorithm；three edge measuring method

作者簡介：申玉玲（1991-），女，山西長治市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閯討B(tài)測試與智能儀器。

收稿日期：2015-08-27；收到修改稿日期：2015-09-20

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.019

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0083-04