王 剛，齊 躍，吳彥卓

(1.中國(guó)人民解放軍91851部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001； 2.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

靶彈用于模擬敵方來(lái)襲的導(dǎo)彈,是考核鑒定防空武器防空反導(dǎo)能力的重要靶標(biāo)[1]。利用退役的飛航式反艦導(dǎo)彈改裝靶彈既節(jié)約了導(dǎo)彈退役報(bào)廢費(fèi)用，又節(jié)約了防空導(dǎo)彈用靶費(fèi)用，是一種經(jīng)濟(jì)而有效的靶標(biāo)開(kāi)發(fā)模式[2-3]。某型靶彈由退役的飛航式反艦導(dǎo)彈改裝而成，該型靶彈在飛行過(guò)程中需要將靶彈實(shí)時(shí)位置信息以及彈載設(shè)備工況信息下傳到地面指揮控制系統(tǒng)用于防空武器試驗(yàn)或訓(xùn)練過(guò)程中的數(shù)據(jù)判讀與決策，同時(shí)需要將地面的安控指令上傳至靶彈用于在靶彈飛行異常情況下控制其實(shí)施自毀，因此靶彈改裝過(guò)程中需要加裝彈載測(cè)控設(shè)備。靶彈作為一種消耗性產(chǎn)品，其加裝的測(cè)控設(shè)備在保證可靠性的基礎(chǔ)上對(duì)其低成本、通用化和小型化提出了更高的要求[4]。為靶彈研制專(zhuān)用測(cè)控設(shè)備，價(jià)格昂貴且通用性受到限制[5]。數(shù)傳電臺(tái)具有技術(shù)成熟、采購(gòu)渠道通暢、效費(fèi)比較高、開(kāi)發(fā)難度相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，以數(shù)傳電臺(tái)為核心器件設(shè)計(jì)通用型測(cè)控設(shè)備可以有效降低成本[8-9]。本文以數(shù)傳電臺(tái)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一型靶彈測(cè)控系統(tǒng)，該測(cè)控系統(tǒng)由彈載數(shù)傳設(shè)備和數(shù)傳地面站組成。該測(cè)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)靶彈飛行過(guò)程中重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)下傳和安控指令上傳，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)4臺(tái)地面站接力布站對(duì)一枚靶彈進(jìn)行測(cè)控。

在靶彈飛行過(guò)程中，由于靶彈飛行距離較遠(yuǎn)，受地球曲率的影響，靶彈數(shù)傳地面站的測(cè)控范圍有限[10-11]。為增加測(cè)控范圍，需要在靶彈飛行航跡沿線采用接力布站的方式完成靶彈飛行過(guò)程的測(cè)控[12]，即采用多臺(tái)地面站對(duì)同一枚靶彈進(jìn)行測(cè)控[13-14]。以往采用多臺(tái)地面站測(cè)控時(shí)為避免地面站上行數(shù)據(jù)沖突，只有一臺(tái)地面站用于發(fā)送上行數(shù)據(jù)[15-16]，其他地面站只接收靶彈的下行數(shù)據(jù)，這限制了靶彈測(cè)控系統(tǒng)上行數(shù)據(jù)的發(fā)送能力[17-18]，靶彈只能在特定區(qū)域內(nèi)接收地面站的控制指令，無(wú)法在全航程內(nèi)接收地面站安控指令的控制[19-20]。本文采用時(shí)分多址的傳輸模式，可使4臺(tái)地面站在4個(gè)不同的傳輸時(shí)隙內(nèi)上傳安控指令，使靶彈在飛行全航程都能接收地面站的安控指令控制，提高了靶彈測(cè)控可靠性和供靶安全性。

1 靶彈測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

靶彈測(cè)控系統(tǒng)由彈載數(shù)傳設(shè)備和數(shù)傳地面站組成。彈載數(shù)傳設(shè)備由數(shù)傳天線、高頻饋線、數(shù)傳電臺(tái)、采編器、電源模塊構(gòu)成，彈載數(shù)傳設(shè)備組成框圖見(jiàn)圖 1。數(shù)傳電臺(tái)、采編器和電源模塊采用分層式結(jié)構(gòu)集成為一個(gè)整體，層間用連接器傳輸電信號(hào)。電源模塊分別輸出+5 V和+24 V直流電，+5 V為采編器供電，+24 V為數(shù)傳電臺(tái)供電。彈載數(shù)傳設(shè)備殼體上用航空接插件與靶彈電纜網(wǎng)連接,用于傳輸電氣信號(hào)。彈載數(shù)傳設(shè)備天線采用倒F型天線，安裝在靶彈設(shè)備艙段上側(cè)。該天線尺寸較小，對(duì)靶彈的氣動(dòng)性能無(wú)影響。彈載數(shù)傳設(shè)備通過(guò)減振器安裝到靶彈設(shè)備艙段內(nèi),以減小靶彈飛行過(guò)程中振動(dòng)對(duì)彈載數(shù)傳設(shè)備的影響。彈載數(shù)傳設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和安控功能。數(shù)據(jù)采集功能包括采集彈上32路模擬量、16路開(kāi)關(guān)量、3路數(shù)字量信號(hào)并將采樣數(shù)據(jù)按約定的數(shù)據(jù)幀格式通過(guò)RS422串口發(fā)送給數(shù)傳電臺(tái)；數(shù)據(jù)傳輸功能包括通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面站，接收地面站發(fā)送的安控指令；安控功能包括接收地面站的安控指令后，對(duì)安控指令進(jìn)行判斷并向靶彈飛控系統(tǒng)輸出+27 V安控信號(hào)。

圖1 彈載數(shù)傳設(shè)備組成框圖

數(shù)傳地面站集成在一臺(tái)便攜式加固計(jì)算機(jī)內(nèi)。數(shù)傳地面站由數(shù)傳天線、高頻饋線、數(shù)傳電臺(tái)、收發(fā)控制器、電源模塊、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，設(shè)備機(jī)殼及操控面板組成。天線采用鞭狀天線，數(shù)傳電臺(tái)與彈載數(shù)傳設(shè)備所選用的電臺(tái)型號(hào)相同。數(shù)傳地面站具有數(shù)據(jù)接收、發(fā)送安控指令、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與顯示功能，主要完成接收彈載數(shù)傳設(shè)備的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形化顯示，采樣操控面板上安控指令按鈕狀態(tài)并通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)將安控指令發(fā)送給彈載數(shù)傳設(shè)備。

靶彈測(cè)控系統(tǒng)所用數(shù)傳電臺(tái)選用工業(yè)級(jí)商用數(shù)傳電臺(tái)，通過(guò)環(huán)境篩選試驗(yàn)使數(shù)傳電臺(tái)可靠性滿足靶彈測(cè)控系統(tǒng)的使用要求。該型數(shù)傳電臺(tái)為半雙工工作模式，同一時(shí)刻只能選擇接收或發(fā)送一種工作模式。數(shù)傳電臺(tái)通過(guò)RS422串口與采編器或收發(fā)控制器進(jìn)行通信，數(shù)傳電臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸率設(shè)置為38 400 bps。為滿足彈載數(shù)傳設(shè)備與數(shù)傳地面站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，靶彈測(cè)控系統(tǒng)按周期進(jìn)行上行和下行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)傳輸周期為100 ms，一個(gè)周期內(nèi)可以完成一次下行數(shù)據(jù)傳輸和4次上行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)傳地面站布站如圖 2所示。在靶彈飛行航跡附近可用4臺(tái)地面站進(jìn)行接力測(cè)控。彈載數(shù)傳設(shè)備與4臺(tái)數(shù)傳地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙如圖 3所示。彈載數(shù)傳設(shè)備每100 ms的循環(huán)周期內(nèi)向下發(fā)送數(shù)據(jù)135字節(jié)，通信協(xié)議采用串口通信協(xié)議，數(shù)據(jù)格式為8數(shù)據(jù)位、1起始位、1停止位，數(shù)據(jù)傳輸率為38 400 bps。135字節(jié)需要的傳送時(shí)間為：135×(1+8+1)/38 400=0.035 2 s=35.2 ms。該數(shù)傳電臺(tái)接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換時(shí)間小于20 ms，35.2～59 ms之間有23.8 ms用于數(shù)傳地面站由數(shù)據(jù)接收模式轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)發(fā)送模式，同時(shí)彈載數(shù)傳設(shè)備由數(shù)據(jù)發(fā)送模式轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)接收模式。59 ms時(shí)數(shù)傳地面站A可以發(fā)送安控指令，安控指令幀長(zhǎng)度為5個(gè)字節(jié)，每次發(fā)送安控指令需要5×(1+8+1)/38 400=0.001 3 s=1.3 ms，4臺(tái)地面站發(fā)安控指令上行數(shù)據(jù)的時(shí)隙分配如圖 3所示，每臺(tái)地面站安控指令發(fā)送時(shí)間間隔為5 ms。75.3 ms時(shí)地面站D安控指令發(fā)送完畢，75.3～100 ms之間有24.7 ms，該時(shí)間段用于數(shù)傳地面站和彈載數(shù)傳設(shè)備收發(fā)模式轉(zhuǎn)換。

圖2 數(shù)傳地面站布站示意圖

圖3 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙分配圖

2 彈載數(shù)傳設(shè)備采編器硬件及軟件設(shè)計(jì)

彈載數(shù)傳設(shè)備采編器由DSP、FPGA、A/D采樣芯片、串口緩存芯片，光MOS型繼電器輸出電路、光耦采樣電路、外部ROM存儲(chǔ)芯片組成。采編器組成框圖見(jiàn)圖4。DSP用于運(yùn)行采編器程序，外部ROM存儲(chǔ)采編器程序以及安控指令碼。4片8路A/D采樣芯片可完成32路模擬量采樣。4路64位串口緩存芯片用作3路數(shù)字量采樣緩存，同時(shí)作為與數(shù)傳電臺(tái)RS422串口通信的緩存。FPGA芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP與各外圍芯片間通信的總線控制。8路光MOS型繼電器輸出電路可以輸出自檢、解鎖、復(fù)位、自毀4路+27 V安控信號(hào)，16路光耦采樣電路用于靶彈的16路開(kāi)關(guān)量采樣。

圖4 采編器組成框圖

采編器軟件在DSP內(nèi)運(yùn)行用于完成采編器上電后初始化，采集32路模擬量和16路開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)，通過(guò)串口查詢(xún)接收彈載衛(wèi)星定位設(shè)備定位信息和數(shù)傳電臺(tái)收到的安控指令，根據(jù)安控指令通過(guò)固態(tài)繼電器輸出相應(yīng)的安控指令控制信號(hào)。安控指令包括：自檢、解鎖、復(fù)位、自毀共4條指令。自檢指令用于檢查傳輸信道是否通暢；解鎖指令是自毀指令的保險(xiǎn)，在沒(méi)發(fā)出解鎖指令時(shí)，自毀指令即使發(fā)出也不起作用；復(fù)位指令是對(duì)解鎖指令的恢復(fù)；自毀指令在輸出27 V后必須進(jìn)行自保。彈載數(shù)傳設(shè)備采編器軟件按100 ms的周期循環(huán)運(yùn)行，軟件流程如圖 5所示。采編器供電后首先進(jìn)行硬件初始化，將自檢、解鎖、自毀狀態(tài)字和自毀指令計(jì)數(shù)器i置0，查詢(xún)接收數(shù)傳電臺(tái)串口緩存計(jì)數(shù)器j置0，而后啟動(dòng)100 ms定時(shí)器并進(jìn)入100 ms循環(huán)程序；進(jìn)入循環(huán)程序后首先進(jìn)行16路開(kāi)關(guān)量和32路模擬量采樣，而后用查詢(xún)的方式接收衛(wèi)星定位設(shè)備和數(shù)傳電臺(tái)的串口數(shù)據(jù)。接收完數(shù)傳電臺(tái)的串口數(shù)據(jù)后即對(duì)接收的安控指令數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析校驗(yàn)。程序流程中②到③完成查詢(xún)接收數(shù)傳電臺(tái)串口緩存并對(duì)安控指令數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判斷，若安控指令為自檢指令則將自檢狀態(tài)字置1，自毀狀態(tài)字不等于1的條件下判斷安控指令是解鎖指令還是復(fù)位指令同時(shí)根據(jù)判斷結(jié)果將解鎖狀態(tài)字置1或0。程序流程中③到④完成自毀指令計(jì)數(shù)，在解鎖狀態(tài)字為1的條件下若接收的安控指令為自毀指令則自毀指令計(jì)數(shù)器i自加1；當(dāng)連續(xù)3次收到自毀指令時(shí)，將自毀狀態(tài)字置1同時(shí)輸出27 V的自毀控制信號(hào)。連續(xù)收到3次安控指令后實(shí)施自毀可以降低因數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤而造成誤自毀的概率。程序流程中④到⑤完成查詢(xún)接收數(shù)傳電臺(tái)串口緩存次數(shù)的判斷，每100 ms的循環(huán)周期內(nèi)需查詢(xún)數(shù)傳電臺(tái)串口緩存4次。程序流程中⑤到①完成100 ms計(jì)時(shí)并發(fā)送135字節(jié)的下行數(shù)據(jù)幀而后進(jìn)入節(jié)點(diǎn)①開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)周期。

圖5 彈載數(shù)傳設(shè)備采編器軟件流程圖

3 數(shù)傳地面站硬件設(shè)計(jì)

數(shù)傳地面站電氣原理如圖 6所示，數(shù)傳地面站用交流220 V市電供電，交流220 V轉(zhuǎn)直流24 V電源模塊輸出24 V直流電壓給數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)和收發(fā)控制器供電。顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)用于接收數(shù)傳電臺(tái)輸出的靶彈下行數(shù)據(jù)，包括靶彈實(shí)時(shí)位置信息以及彈載設(shè)備工況信息。數(shù)傳電臺(tái)串口輸出端以并聯(lián)的方式同時(shí)給收發(fā)控制器和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)接收數(shù)傳電臺(tái)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。收發(fā)控制器接收數(shù)傳電臺(tái)串口輸出的靶彈下行數(shù)據(jù)后將靶彈下行數(shù)據(jù)中包含的安控狀態(tài)信息通過(guò)27 V開(kāi)關(guān)量輸出給自檢、解鎖、復(fù)位、自毀4個(gè)指示燈以顯示靶彈當(dāng)前的安控狀態(tài)；收發(fā)控制器可以對(duì)自檢、解鎖、復(fù)位、自毀4個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行采樣并將采樣結(jié)果按照?qǐng)D 3的時(shí)隙通過(guò)串口輸出給數(shù)傳電臺(tái)，作為數(shù)傳地面站向彈載數(shù)傳設(shè)備發(fā)送的上行安控指令數(shù)據(jù)。收發(fā)控制器硬件是在彈載數(shù)傳設(shè)備采編器模塊的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，去掉了采編器模塊的32路模擬量采樣和16路開(kāi)關(guān)量采樣中的8路采樣。收發(fā)控制器需要對(duì)接收彈載數(shù)傳設(shè)備下行數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)精度為1 ms，從而準(zhǔn)確控制安控指令的上行時(shí)間，以免彈載數(shù)傳設(shè)備、各地面站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間相沖突，造成數(shù)據(jù)丟失。

圖6 地面站電氣原理圖

4 地面站收發(fā)控制器軟件設(shè)計(jì)

地面站中的收發(fā)控制器用于對(duì)地面站操控面板上的安控指令按鈕采樣，接收彈載數(shù)傳設(shè)備下行數(shù)據(jù)并計(jì)時(shí)，發(fā)送上行安控指令數(shù)據(jù)幀，向地面站操控面板指示燈輸出安控指令信號(hào)。收發(fā)控制器程序循環(huán)周期為1 ms，每100個(gè)周期，能夠收到一幀完整的下傳數(shù)據(jù)。收發(fā)控制器收到完整的下傳數(shù)據(jù)后按圖 3的時(shí)隙發(fā)送上行安控指令，以保證彈載數(shù)傳設(shè)備和四臺(tái)地面站之間數(shù)據(jù)傳輸不發(fā)送沖突。收發(fā)控制器軟件流程如圖 7所示。程序流程開(kāi)始到節(jié)點(diǎn)①用于硬件初始化及各狀態(tài)字賦初值，程序流程中①到②之間用于安控指令按鈕采樣，為了消除按鈕抖動(dòng)和干擾，連續(xù)100次采樣有效則該安控指令有效。流程中②到③部分根據(jù)安控指令按鈕采樣結(jié)果確定安控指令狀態(tài)字，自檢、復(fù)位、解鎖、自毀安控指令按鈕有效時(shí)對(duì)應(yīng)的安控指令狀態(tài)字分別為1、2、3、4。流程中③到④以查詢(xún)串口緩存的方式接收數(shù)傳電臺(tái)收到的下行數(shù)據(jù)，當(dāng)收到135個(gè)字節(jié)的完整數(shù)據(jù)幀之后，幀計(jì)數(shù)狀態(tài)字i置0。流程中④到⑤用于電源和安控指令燈顯示，當(dāng)?shù)孛嬲痉€(wěn)定接收彈載數(shù)傳設(shè)備信號(hào)時(shí)電源燈能夠閃爍；地面站未收到彈載數(shù)傳設(shè)備信號(hào)時(shí)電源燈常亮；自檢、解鎖、復(fù)位、自毀四盞安控指令燈則根據(jù)地面站收到的彈上下傳的安控指令狀態(tài)進(jìn)行對(duì)應(yīng)顯示。流程⑤到⑥用于程序循環(huán)周期計(jì)時(shí)和上行安控指令輸出。當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)大于等于1 ms時(shí)定時(shí)器置0重新計(jì)時(shí)。流程⑥到①依據(jù)地面站安控指令發(fā)送時(shí)隙和安控指令狀態(tài)字的結(jié)果由串口向數(shù)傳電臺(tái)輸出上行的安控指令，安控指令發(fā)送時(shí)隙用1 ms循環(huán)的幀計(jì)數(shù)i來(lái)確定，地面站A、B、C、D在i值分別為23、28、33、38且安控指令狀態(tài)字不等于0時(shí)，按照安控指令狀態(tài)字來(lái)輸出安控指令數(shù)據(jù)幀，而后程序回到節(jié)點(diǎn)①進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。

圖7 收發(fā)控制器軟件流程圖

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證彈載數(shù)傳設(shè)備和數(shù)傳地面站的工作性能，用四臺(tái)數(shù)傳地面站和一臺(tái)彈載數(shù)傳設(shè)備進(jìn)行通信試驗(yàn)，試驗(yàn)中數(shù)傳地面站編號(hào)為A、B、C、D。試驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和外場(chǎng)遠(yuǎn)距測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試主要檢驗(yàn)安控指令發(fā)送時(shí)間是否滿足要求，硬件是否工作正常，軟件流程是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)四臺(tái)地面站同時(shí)持續(xù)發(fā)自檢安控指令，用示波器監(jiān)測(cè)地面站收發(fā)控制器RS422串口收到安控指令的結(jié)束時(shí)間以及發(fā)送安控指令的起始和結(jié)束時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1。經(jīng)過(guò)多次重啟測(cè)試，四臺(tái)數(shù)傳地面站發(fā)送安控指令的起始時(shí)間均有1 ms的動(dòng)態(tài)誤差，這是因?yàn)閿?shù)傳地面站收發(fā)控制器計(jì)時(shí)精度為1 ms，因此其發(fā)送安控指令的起始時(shí)間存在動(dòng)態(tài)誤差。四臺(tái)地面站之間發(fā)送安控指令的時(shí)間間隔有4～5 ms，該時(shí)間差可以保證各地面站上行數(shù)據(jù)不發(fā)生干擾。用四臺(tái)地面站依次序同時(shí)發(fā)送自檢、解鎖、復(fù)位、解鎖、炸毀安控指令，彈載數(shù)傳設(shè)備能正常接收指令，未發(fā)生指令接收異常的現(xiàn)象。

ms

表1 數(shù)傳地面站收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間監(jiān)測(cè)結(jié)果

外場(chǎng)遠(yuǎn)距測(cè)試時(shí)，數(shù)傳地面站A、B與彈載數(shù)傳設(shè)備相距20 m，數(shù)傳地面站C、D與彈載數(shù)傳設(shè)備相距21 km。每臺(tái)地面站單獨(dú)發(fā)送安控指令時(shí)，彈載數(shù)傳設(shè)備接收安控指令正常；4臺(tái)地面站依次序同時(shí)發(fā)送自檢、解鎖、復(fù)位、解鎖、炸毀安控指令時(shí)，彈載數(shù)傳設(shè)備均能正常接收安控指令。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以數(shù)傳電臺(tái)為核心器件設(shè)計(jì)了一型靶彈測(cè)控系統(tǒng)，該測(cè)控系統(tǒng)由彈載數(shù)傳設(shè)備和數(shù)傳地面站組成。該型測(cè)控系統(tǒng)在靶彈上使用可以實(shí)現(xiàn)在靶彈飛行過(guò)程中接收并顯示實(shí)時(shí)位置和彈載設(shè)備工作信息，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)用發(fā)送安控指令的方式控制靶彈自毀。數(shù)傳地面站采用時(shí)分多址的傳輸模式發(fā)送安控指令，可以實(shí)現(xiàn)4臺(tái)地面站同時(shí)向一枚靶彈發(fā)送安控指令，可使地面站沿靶彈飛行航跡接力布站時(shí)各地面站發(fā)送安控指令不會(huì)相互干擾，該設(shè)計(jì)方法增加了地面站測(cè)控范圍，提高了靶彈測(cè)控系統(tǒng)工作可靠性。最后通過(guò)對(duì)工程樣機(jī)的實(shí)物測(cè)試，該測(cè)控系統(tǒng)工作正常，可以實(shí)現(xiàn)4臺(tái)地面站對(duì)靶彈同時(shí)進(jìn)行測(cè)控的功能。