王祖良 樊凌雁 黃世奇 張 婷 王荔斌

(1.西京學(xué)院 信息工程學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)研究中心，西安 710123；2.杭州電子科技大學(xué) 微電子研究中心，杭州 310018)

1 引 言

在外彈道測試中常常采用光電設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備及遙測設(shè)備對(duì)同一彈道同時(shí)跟蹤測試[1,2]，這些設(shè)備本身均有目標(biāo)跟蹤能力，只要飛行目標(biāo)進(jìn)入其視場即可自動(dòng)跟蹤目標(biāo)完成彈道測試。但由于測站布設(shè)、地形地貌等的影響，對(duì)于導(dǎo)彈等快速飛行目標(biāo)，往往會(huì)發(fā)生某一臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備捕獲不到目標(biāo)，或者中途丟失目標(biāo)的情況，造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失。組網(wǎng)測試是基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù)，將光電測試設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)及遙測系統(tǒng)等測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，在引導(dǎo)控制中心的統(tǒng)一調(diào)度下實(shí)現(xiàn)測試信息融合和實(shí)時(shí)互引導(dǎo)，可大幅提高測試成功概率[3,4]。利用組網(wǎng)測試技術(shù)可以在引導(dǎo)和測量數(shù)據(jù)所覆蓋的彈道段上互為補(bǔ)充，測試參數(shù)互為備份和參考，合理利用各測量系統(tǒng)的特長，使各測量系統(tǒng)在最能發(fā)揮作用的彈道段完成測試任務(wù)，顯著提高單套設(shè)備的數(shù)據(jù)采集率[5～9]。楊宗偉[7]通過以太網(wǎng)組建測試網(wǎng)絡(luò),建立了統(tǒng)一的時(shí)間和空間基準(zhǔn),并給出了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等相關(guān)算法。當(dāng)前文獻(xiàn)研究網(wǎng)絡(luò)化航空測量、機(jī)載測試較多，而對(duì)彈道的網(wǎng)絡(luò)化測量研究較少。方國強(qiáng)等[10]針對(duì)彈道中段目標(biāo)測量跟蹤問題,將卡爾曼濾波應(yīng)用于目標(biāo)檢測平滑和預(yù)測處理,建立了狀態(tài)方程和量測方程。

本文對(duì)外彈道組網(wǎng)測量方法進(jìn)行研究，主要針對(duì)由光電設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備及遙測系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互引導(dǎo)控制系統(tǒng)。

2 組網(wǎng)測試功能需求

系統(tǒng)匯集來自各測站的數(shù)據(jù)，對(duì)彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱統(tǒng)一、異常值剔除、精度分析、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、提取時(shí)標(biāo)等一系列處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的引導(dǎo)規(guī)則優(yōu)選引導(dǎo)源，根據(jù)時(shí)延大小對(duì)引導(dǎo)源進(jìn)行實(shí)時(shí)彈道外推，利用該彈道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)引導(dǎo)其它設(shè)備跟蹤目標(biāo)。

引控設(shè)備類型含三類：雷達(dá)(國產(chǎn)雷達(dá)無需代理主機(jī)，進(jìn)口雷達(dá)需要利用代理主機(jī)實(shí)現(xiàn))，遙測設(shè)備，光電設(shè)備；引導(dǎo)源優(yōu)選規(guī)則：按照人工實(shí)時(shí)指定、預(yù)先設(shè)置、實(shí)時(shí)優(yōu)選逐步降低的順序選擇引導(dǎo)源。

數(shù)據(jù)鏈路包括光纖信道和無線信道，有不同的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性，需要考慮彈道外推；傳輸有誤碼，接收端需要做CRC校驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)類型包括測試設(shè)備和主機(jī)，引導(dǎo)控制軟件運(yùn)行在主機(jī)端。

3 引導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

組網(wǎng)測控系統(tǒng)由引導(dǎo)控制中心、測試設(shè)備以及基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖1所示。

基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)由4套SDH組成的骨干光纖網(wǎng)絡(luò)和3臺(tái)無線Mesh通信車組成。骨干光纖網(wǎng)的4套傳輸設(shè)備分別位于指控中心、中繼測試點(diǎn)1、中繼測試點(diǎn)2以及落區(qū)測試點(diǎn)；3套無線Mesh通信車分別部署在中繼測試點(diǎn)1、中繼測試點(diǎn)2及落區(qū)測試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各周邊15km范圍的機(jī)動(dòng)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)的接入功能。引導(dǎo)控制中心接收光電經(jīng)緯儀、雷達(dá)及遙測數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)解算目標(biāo)坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)融合等處理，優(yōu)選外彈道數(shù)據(jù)，并向所有測試設(shè)備廣播。測試設(shè)備收到優(yōu)選彈道數(shù)據(jù)，如果本設(shè)備處于正常跟蹤目標(biāo)狀態(tài)，則對(duì)優(yōu)選彈道數(shù)據(jù)不予處理，如果已丟失目標(biāo)，則利用從引導(dǎo)控制中心收到的優(yōu)選彈道數(shù)據(jù)快速引導(dǎo)本設(shè)備跟蹤目標(biāo)，從而完成測試設(shè)備的互引導(dǎo)。

圖1中實(shí)線為上行數(shù)據(jù)傳輸，虛線為下行數(shù)據(jù)傳輸。光電設(shè)備：上行數(shù)據(jù)傳輸，光電設(shè)備每組通過一臺(tái)匯集中心主機(jī)實(shí)現(xiàn)彈道交會(huì)，解算出彈道數(shù)據(jù)上報(bào)至引導(dǎo)控制中心。下行數(shù)據(jù)傳輸，引控中心將引導(dǎo)坐標(biāo)直接傳輸至每臺(tái)光電設(shè)備，不經(jīng)過匯集中心主機(jī)。遙測設(shè)備：與引導(dǎo)控制中心直接雙向傳輸數(shù)據(jù)。測距雷達(dá)：與引導(dǎo)控制中心直接雙向傳輸數(shù)據(jù)。韋伯雷達(dá)：由于韋伯進(jìn)口雷達(dá)由于無法獲得數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)接口的通信格式，通過代理主機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 引導(dǎo)控制中心軟件模塊組成

引導(dǎo)控制中心軟件模塊組成如圖2所示。用戶管理模塊負(fù)責(zé)管理用戶信息，對(duì)不同用戶進(jìn)行分級(jí)管理。任務(wù)調(diào)度模塊按照引導(dǎo)控制處理流程對(duì)接收和發(fā)送線程進(jìn)行調(diào)度處理，發(fā)送采用組播方式，接收采用一對(duì)一通信方式。IP組播為無根組播，每個(gè)加入組播的成員都是葉子節(jié)點(diǎn)，其地位均相同，既可以作為信源廣播發(fā)送者也可以作為信宿接收者。分組引導(dǎo)要求單向組播，即引導(dǎo)控制中心向各測試設(shè)備組播，測試設(shè)備之間不能彼此收發(fā)數(shù)據(jù)，否則會(huì)帶來干擾。為解決該問題，采用收發(fā)分線程實(shí)現(xiàn)，即引導(dǎo)控制軟件采用單播線程專門負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，組播線程專門負(fù)責(zé)向本組組播地址發(fā)送數(shù)據(jù)。各測試設(shè)備單播向引導(dǎo)控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)，不向組播地址發(fā)送數(shù)據(jù)，只接收組播數(shù)據(jù)。任務(wù)調(diào)度模塊根據(jù)接收數(shù)據(jù)類型啟動(dòng)相應(yīng)的彈道解算模塊，及后續(xù)處理模塊進(jìn)行處理。設(shè)備管理模塊負(fù)責(zé)測試設(shè)備的注冊、更新以及設(shè)備分組管理。數(shù)據(jù)通信模塊采用套接字編程方式實(shí)現(xiàn)底層通信，為保證引導(dǎo)控制的實(shí)時(shí)性，采用UDP通信方式，保證在程序運(yùn)行過程中引控軟件和設(shè)備之間保持半相關(guān)狀態(tài)。存儲(chǔ)管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)測試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以備離線數(shù)據(jù)分析。實(shí)時(shí)顯示模塊負(fù)責(zé)彈道的實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)處理模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，在后續(xù)幾個(gè)小節(jié)分別詳細(xì)介紹。

3.3 韋伯雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸方法

韋伯雷達(dá)需要利用代理主機(jī)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

代理主機(jī)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，即收即發(fā)不作其他處理，最大限度減少時(shí)延。

3.4 光測多站交會(huì)

3.4.1 坐標(biāo)系及符號(hào)說明

按試驗(yàn)要求事先選定坐標(biāo)原點(diǎn)O，X軸為坐標(biāo)北，Y軸為高程，Z軸與X軸、Y軸構(gòu)成右手系。(x1,y1,z1)：O1站經(jīng)緯儀在測量坐標(biāo)系O-XYZ的坐標(biāo)。(x2,y2,z2)：O2站經(jīng)緯儀在測量坐標(biāo)系O-XYZ的坐標(biāo)。(x,y,z)：目標(biāo)M在測量坐標(biāo)系O-XYZ的坐標(biāo)。α1，λ1分別為O1站經(jīng)緯儀測得目標(biāo)M的方位角、高低角。α2，λ2分別為O2站經(jīng)緯儀測得目標(biāo)M的方位角、高低角。

3.4.2 異面交會(huì)算法

華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院是通過選擇條件比較好的企事業(yè)單位來建立“大學(xué)生實(shí)習(xí)基地”，學(xué)校資助一定經(jīng)費(fèi)并且近年有較大增長，其余費(fèi)用讓基地單位來承擔(dān)，學(xué)生不承擔(dān)任何實(shí)習(xí)費(fèi)用。根據(jù)各單位的經(jīng)濟(jì)狀況，可以自愿給予學(xué)生一定的補(bǔ)助，校方和學(xué)生不得強(qiáng)求。針對(duì)食品質(zhì)量與安全專業(yè)，已建立的畢業(yè)實(shí)習(xí)基地有十多家，主要包括廣東、珠海和東莞出入境檢驗(yàn)檢疫局及其技術(shù)中心、廣州分析測試中心、廣州市食品藥品監(jiān)督管理局檢測所、東莞市農(nóng)產(chǎn)品檢測所和珠江啤酒股份有限公司等大中型企業(yè)。大多數(shù)實(shí)習(xí)單位承擔(dān)了學(xué)生的住宿費(fèi)用，如果沒有教育部門及社會(huì)各界對(duì)“大學(xué)生實(shí)習(xí)基地”的支持，這種機(jī)制是難以持久的。

采用異面交會(huì)算法，計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：m1、m2、K、l1、l2——分別為中間變量;ρ——加權(quán)系數(shù),ρ∈[0,1]，根據(jù)各經(jīng)緯儀測量精度適當(dāng)選取，當(dāng)兩臺(tái)經(jīng)緯儀測角精度相同時(shí)取0.5。

3.5 彈道選優(yōu)算法

3.5.1 算法流程

彈道選優(yōu)算法流程如圖4所示。

經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，并平衡計(jì)算復(fù)雜度和優(yōu)選精度，利用前5個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作最小二乘預(yù)測當(dāng)前彈道值。另一方面，利用萊特準(zhǔn)則從各測試設(shè)備所測得的當(dāng)前彈道數(shù)值中挑選殘差最大的測量彈道。將預(yù)測值與利用萊特準(zhǔn)則挑選的殘差最大的測量彈道進(jìn)行比對(duì)，如果優(yōu)選彈道最接近殘差最大的彈道，則當(dāng)成彈道有突變，利用萊特準(zhǔn)則優(yōu)選彈道，否則利用最小二乘預(yù)測值作為優(yōu)選彈道。

3.5.2 預(yù)估算法

預(yù)估算法采用基于滑窗式最小二乘法，將優(yōu)選出的彈道數(shù)據(jù)按照FIFO(先進(jìn)先出)規(guī)則逐步滑動(dòng)存入數(shù)組A[n-i]，i=1,2…5，利用A[n-i]估算當(dāng)前值A(chǔ)[n]。示意圖如圖5所示。

Ui=b0+b1(ih)+b2(ih)2

(2)

式中:b0、b1、b2——分別為多項(xiàng)式系數(shù)。

遞推求解步驟

b0=N-1∑ui

(3)

(4)

(5)

式中：ui——以h為間隔接收到的彈道數(shù)據(jù)，用以預(yù)測當(dāng)前值；N=5。

3.5.3 有效性檢驗(yàn)

采用萊特準(zhǔn)則對(duì)優(yōu)選彈道進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，假設(shè)同組光電設(shè)備交叉交會(huì)得出的多條彈道為x(i)，i=1,2，…，K，算數(shù)均值為

(6)

則原始彈道殘差絕對(duì)值為

(7)

當(dāng)通過滑窗最小二乘預(yù)估法優(yōu)選彈道不是最大殘差時(shí)可以認(rèn)為優(yōu)選彈道有效，將優(yōu)選彈道上報(bào)引控中心；如果滑窗最小二乘預(yù)估法優(yōu)選彈道與萊特準(zhǔn)則計(jì)算的殘差最大信道重疊時(shí)，認(rèn)為彈道發(fā)生突變，按照以下準(zhǔn)則優(yōu)選當(dāng)前彈道：

首先計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差

(8)

將殘差絕對(duì)值xδ(i)逐一與標(biāo)準(zhǔn)差的3倍進(jìn)行比較以剔除異常值，如果殘差xδ(i)≥3σ，則將此異常值剔除。由于異常值本身會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差產(chǎn)生影響，因此萊特準(zhǔn)則需要循環(huán)進(jìn)行，即在一次剔除需重新計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差，再次進(jìn)行異常值剔除，重復(fù)剔除兩次以后，取均值作為優(yōu)選信道上報(bào)引導(dǎo)控制中心。

4 試驗(yàn)結(jié)果

由于外彈道測試試驗(yàn)成本高，無法專門為組網(wǎng)測試系統(tǒng)進(jìn)行考核性試驗(yàn)，只能利用測試試驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行有限次的考核試驗(yàn)。按照本文提出的組網(wǎng)測試方法改造升級(jí)了西北某試驗(yàn)靶場，該靶場為長形主靶道，長300km，寬20km。改造系統(tǒng)引導(dǎo)頻率為50幀/s，即引導(dǎo)間隔為20ms。能夠處理各種跟蹤雷達(dá)、搜索雷達(dá)、光電設(shè)備、遙測地面站的測量數(shù)據(jù)路數(shù)為32路，數(shù)據(jù)融合處理最小周期為100ms，單路測量數(shù)據(jù)平均處理時(shí)間小于1ms，引導(dǎo)數(shù)據(jù)平均處理時(shí)間小于2ms。改造后的引導(dǎo)控制主控界面如圖6所示。經(jīng)過5次試驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果，表明改造后光電設(shè)備跟蹤率得到了明顯提升，從75%左右提高到了96%左右。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)彈道組網(wǎng)測量設(shè)計(jì)了一套引導(dǎo)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)、光電設(shè)備、遙測設(shè)備的互引導(dǎo)，并根據(jù)實(shí)際測量情況提出了彈道優(yōu)選方法，利用優(yōu)選彈道數(shù)據(jù)對(duì)所有測試設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)互引導(dǎo)。利用本文設(shè)計(jì)方案對(duì)西北某常規(guī)靶場測試系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化升級(jí)改造，改造后的系統(tǒng)跟蹤能力得到了顯著提升。

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