飛機軌跡測量系統設計與應用

摘 要:飛機軌跡測量系統通過GPS技術對飛機空中飛行軌跡進行測量，并實時發送測量數據，在地面實時顯示飛機在空中飛行的位置、軌跡、速度等信息，為指揮員指導飛行提供依據。從系統設計和試驗等多個方面進行較為全面的論述，從理論和試驗兩個方面驗證了系統的性能和適用性，該系統具有很強的實用價值。

關鍵詞:數據電臺;飛機軌跡測量系統;視距傳輸;GPS

中圖分類號:P228文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-012-03

Design and Application of Aircraft Track Measurement System

CHANG Shulong

(China Airborne Missile Academy，Luoyang，471009，China)

Abstract:Aircraft track measurement system measures aircraft flight track throrugh GPS，sends real-time measurement data，and displays the location，track，speed of aircraft on the ground in real-time，provids flight basis for commanders.A more comprehensive discussion is given from the system design and the experiment，system′s performance and applicability are verified from theory and experiment.The system can be widely used.

Keywords:data radio;aircraft track measurement system;line-of-sight transmission;GPS

0 引 言

近年來，隨著高性能空空導彈的研制成功，對部隊的飛行訓練手段也提出新的要求。地面指揮人員能否及時掌握和了解飛行情況，對于提高飛行試驗的成功率和準確度，從而大大提高訓練和試驗效率及試驗結果的有效性都是至關重要的。

目前，大多數飛行部隊在訓練飛行時，飛機的位置是由雷達獲取，其實時性和精度難以滿足要求。飛機軌跡測量系統利用飛機現有的掛彈接口，不改變原有外掛電路及原掛裝系統氣動外形，利用GPS軌跡測量技術和無線遙測技術，將原掛裝的導彈改裝為多功能的GPS遙測彈，通過地面接收系統，實時準確獲得飛機的位置、速度、軌跡等信息，從而解決精確指揮引導的難題。

該系統作用距離要求達到120 km(視距傳輸)，在多路徑衰落環境和強工業干擾環境下，能夠正常工作，滿足系統誤碼率(BER=1×10-4)的要求。

1 組成及功能

飛機軌跡測量系統由GPS遙測彈和地面接收系統兩部分組成，框圖如圖1和圖2所示。試驗時GPS遙測彈掛在飛機上，實時接收本地GPS信息，調制數據電臺，經發射天線向空間輻射。地面接收天線實時接收GPS遙測彈的射頻信號，經數據電臺解調后得到GPS數據，通過RS 232接口輸出到GPS數據處理站，進行飛機的位置、速度、軌跡等信息的實時顯示。

圖1 GPS遙測彈系統框圖

圖2 地面接收系統框圖

2 系統方案設計

2.1 系統參數設計

(1) 頻帶和調制體制設計

盡量選用成熟貨架產品，既能縮短研制周期，經濟性好，也能保證系統的可靠性。設計選用902～928 MHz作為使用頻段，可以減小天線尺寸，降低電磁環境干擾。調制體制采用跳頻擴頻體制，提高抗干擾能力。

(2) 數據傳輸速率設計

數據傳輸速率的設計依據為GPS接收機輸出數據量，數據刷新率10 Hz，每次輸出字節小于98 B，每字節8 b，因此，每秒數據輸出為98×10×8=7.84 Kb。另外，根據串行總線速率標準，數據傳輸速率設計為19.2 Kb/s。

(3) 作用距離

系統傳輸鏈路損耗:

Ls=PT - Pr+GT+GR-M

(1)

式中:PT為數據電臺發射功率，PT =5 W;Pr為數據電臺靈敏度，Pr = -110 dBm(誤碼率BER=1×10-6，數據速率Rb=19.2 Kb/s);GT為發射天線增益，GT=-5 dB;GR為接收天線增益，GR=5 dB;M為系統裕量，取7 dB。

根據電波傳輸自由空間損耗公式，得:

Ls=20log(4*π*D/λ)

=32.44+20log D+20log f

(2)

其中:Ls為自由空間衰減功率(單位:dB);D為無線傳輸距離(單位:km);f為載波頻率(單位:MHz)。

綜合上述式(1)和式(2)，可得無線傳輸距離:

D=254 km

滿足接收距離大于120 km的要求[1-3]。

2.2 GPS遙測彈方案設計

GPS遙測彈包括GPS接收天線、GPS接收機、數據電臺、發射天線、電源和模擬彈體。組成框圖如圖1所示。

2.2.1 GPS接收天線

GPS接收天線位于彈體前端，保證在掛機狀態下不被機翼遮擋，且要求與彈體共形，不影響遙測彈氣動外形。天線要求波束寬度大于160°，波束內增益大于0 dB，駐波系數小于2，具有優良的圓對稱半球波束和阻抗匹配特性。低噪聲放大器與天線緊密集成，在放大信號的同時較少地引入噪聲，供電由GPS接收機通過饋電方式提供，增益不小于30 dB。

2.2.2 GPS接收機

GPS接收機接收GPS衛星信號，解算出GPS天線的位置、速度、精確時間、衛星索引、精度因子等，用于數據的實時顯示。要求接收機實時定位測量誤差小于15 m，接收靈敏度小于-160 dBW，帶內干擾抑制大于60 dB，數據刷新率為10 Hz。

接收機的測量精度在本系統中至關重要，應能實現信號的快速重捕，具有較強的帶內干擾抑制能力，適用于復雜場合的電磁環境[8]。

2.2.3 數據電臺

數據電臺要求采用跳頻擴頻通信體制，雙向數據通信方式，支持點對點、點對多點傳輸，具備超強糾錯能力，使用32位CRC檢測機制，數據出錯后自動請求重發(ARQ)。要求工作頻段為902～928 MHz，輸出功率不低于5 W，跳頻頻點數大于90，跳頻速率大于90 Hz，靈敏度低于-110 dBm(誤碼率BER=1×10-6，數據速率Rb=19.2 Kb/s)[4，5]。

數據電臺采用寬溫度范圍高靈敏度工業級跳頻電臺，具有出色的遠距離通訊能力和抗干擾能力，可以繞過建筑物群通訊，可在各種惡劣環境中提供健壯的無線鏈路，穩定可靠的長時間運行[6]。

2.2.4 發射天線

發射天線在吊艙上安裝，要求重量輕，體積小，氣動特性好，因此選用倒F天線。GPS遙測彈是機載裝置，不會發生翻滾，天線位于彈體下方，方向圖設計為全向輻射，極化方式線極化。

2.3 地面接收系統方案設計

地面接收系統主要包括接收天線、頻帶濾波器、數據電臺、電源、數據處理站和實時處理軟件。組成框圖如圖2所示。

地面接收系統實時接收GPS遙測彈射頻信號，經接收天線、頻帶濾波器、數據電臺解擴解調得到GPS串行數據流。數據處理站通過RS 232接口接收GPS數據后進行飛機的飛行軌跡顯示。

2.3.1 接收天線

根據系統傳輸鏈路計算，在保證150 km作用距離和誤碼率要求(1×10-4)的前提下，接收天線增益設計為大于6 dB，天線主波束寬度大于60°，工作頻率880～950 MHz。由于GPS遙測彈上發射天線是線極化，為保證飛行姿態變化時的可靠接收，地面接收天線設計為螺旋天線，極化方式右旋圓極化。

2.3.2 頻帶濾波器

由于選用頻段十分接近移動通信頻率，因此，系統中必須應用頻帶濾波器，且其性能指標對系統誤碼率影響很大。濾波器采用腔體濾波器，設計指標為帶外抑制(@915±20 MHz)大于45 dB，插入損耗小于0.8 dB，帶內紋波小于0.5 dB，駐波比小于2。

2.3.3 數據電臺

數據電臺接收射頻信號，解調輸出GPS數據信息送給GPS數據處理站。該電臺與飛機GPS遙測彈電臺完全一致，通過設置更改主站、從站模式。

2.3.4 實時處理軟件

實時處理軟件采用Visual C++ 6.0編程語言，通過RS 232串行總線接口實時接收遙測彈的GPS數據，實時解算速度、位置、時間、星數等信息，以及相對于地面接收系統的角度、距離等，在界面上進行實時顯示，顯示更新頻率為10 Hz[7]。

主要功能有:

實時接收、存儲、解算串行總線傳送的遙測彈GPS數據;具有GPS數據幀的完整性檢查處理功能;使用電子地圖作為顯示系統的背景;

實時顯示飛機的飛行軌跡，顯示比例圖可以放大、縮小;可以在電子地圖上按照經、緯度、高度增加標志點;采用數據庫存儲技術，可實現事后數據讀取和重放。

3 試驗結果

2008年1月，該系統已在某機場進行空中掛飛試驗，共飛行10架次，飛行高度10 km，受飛行區域限制最遠飛行135 km，飛行區域與地面接收站夾角約為120°，地面接收天線固定不動。飛行過程中系統工作良好，直觀的為指揮員顯示了飛行試驗情況，接收數據誤碼率和系統作用距離滿足設計要求，深受部隊指戰員好評。

4 結 語

本系統利用飛機原有掛彈接口，不改變外掛電路，提高了系統的通用性和適用性;針對系統特點，詳細設計了無線數據速率、發射功率、GPS顯示軟件和貨架產品的選型等。試驗表明該系統能夠實現遠距離通信，抗多路徑衰落環境和強工業干擾環境能力強。該系統的研制成功對于提高部隊的飛行訓練手段具有十分重要的意義。

參考文獻

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