一種合作式海上目標航跡記錄和位置監控系統

胡生亮 劉 忠 付學志 李朝旭

(海軍工程大學電子工程學院1，湖北 武漢 430033;91635部隊2，北京 102249)

0 引言

在海上演練戰場環境下，常常需要實時記錄、監控戰場范圍內多個合作目標的位置信息。就目標航跡記錄而言，可參考車輛行駛記錄儀［1-4］或車輛行駛調度監控系統［5-9］。但能夠適應海上環境，并兼具航跡記錄和位置監控功能的集成系統并不多見。

若以車輛行駛調度監控系統中常見的GPRS+GPS方式構建，需要覆蓋GSM網絡信號，這不僅不利于信息安全，且受GSM通信基站覆蓋范圍約束。北斗系統的短消息通信功能可實現位置監控，但現階段某些海域尚無衛星覆蓋，且通信帶寬有限、終端體積較大、成本高，限制了大規模的應用［10］。盡管文獻［11］提出以無線傳感器網絡為手段的車輛監控系統，為實現海上目標位置監控提供了參考，但該方式信號傳輸距離有限，需采用多跳中繼通信方式，系統復雜且不穩定［11］。

鑒于此，本文采用數傳電臺+GPS模塊方式，設計了航跡記錄和位置實時監控系統。該系統具有記錄時間長、信息多備份存儲、使用方式靈活等優點，已多次應用于海上無人戰場演練。

1 需求分析和系統總體結構

對于海上無人對抗演練而言，對抗雙方的航跡記錄信息是評價對抗效果和作戰效能的基本依據。航跡信息可以只存儲在本地作戰單元內，待演練結束后再回收作戰單元并下載航跡信息。

但以上做法一方面無法實現演練導演組對合作式對抗過程的實時監控;另一方面，由于復雜的海上環境和對抗過程中的戰場損耗，并不能保證每一個作戰單元都能被正常回收，嚴重影響了對作戰單元的效果評估和作戰效能分析。

綜合上述分析，本文實現了一種包含Flash實時存儲和USB格式化轉存功能的本地航跡記錄器，并借助于作戰海域上空迂回飛行的檢靶飛機平臺或演練海域附近的岸基制高點，利用無線通信技術，完成了對合作式對抗目標的實時位置監控。該系統也是實現目標航跡信息的另一種遠程備份獲取手段。系統總體組成結構如圖1所示。

圖1 系統組成結構圖Fig.1 Structure of the system composition

合作式海上目標航跡記錄和位置監控系統由若干本地端航跡記錄器和目標位置監控/轉發中心節點組成。其中，航跡記錄器被安裝在需要定位服務的本地作戰單元上，為作戰演練提供單元級的GPS定位和航跡記錄服務，在本應用中視為下位機;目標位置監控/轉發中心節點部署于遠程檢靶飛機平臺或岸基制高點，視為上位機。兩者由短波或超短波無線信道建立通信連接。

系統的主要結構特點是:采用硬件復用技術，上下位機基于同一個MSP430單片機硬件平臺，且每套上下位機均帶有一臺無線數傳電臺(UART串行通信接口)和兩種存儲模塊(Flash、USB)。在實際演練中，航跡記錄器自動實時記錄作戰單元的位置信息和狀態信息，一旦上下位機之間建立無線通信，則自動完成作戰單元的位置信息采集上報。該記錄器應用廣泛、使用靈活，具有較高的可靠性。它一方面實現了演練戰場態勢遠程監控，另一方面也完成了演練態勢信息的多備份和多方式獲取。

2 本地端航跡記錄器

航跡記錄器以MSP430低功耗單片機為核心，并配置了串行通信接口(2個，記為UART0和UART1)、8 bit標示編碼開關、I2C實時時鐘、USB存儲、Flash存儲、電源監控管理等外設模塊。其中，編碼開關為作戰單元提供了8 bit的身份標示;I2C實時時鐘用于為航跡記錄器的通信日志建立時間戳;UART0與GPS模塊進行通信，在本地端實現GPS定位數據的解包、壓縮編碼和多備份存儲等功能;UART1與無線數傳電臺通信，將本地航跡信息上傳到遠程目標位置監控/轉發節點。

除了完成航跡信息的無線上傳，航跡記錄器的核心功能是為本地作戰單元提供可靠、多元化的航跡記錄服務，包括Flash實時快速存儲和USB低速轉存兩種模式。

2.1 Flash實時快速存儲模式

MSP430單片機與Flash存儲器M25P64之間的接口電路原理如圖2所示。

圖2 接口電路原理圖Fig.2 Principle of interface circuit

本系統中的GPS定位模塊選用GERMIN公司的GPS15L模塊。該模塊的最短定位更新周期能夠達到1 s，即航跡記錄存儲器的最短操作周期為1 s。在需要頻繁讀寫操作的航跡記錄系統中，選用低功耗、大容量、高速Flash存儲器M25P64作為存儲載體。

M25P64的存儲空間為64 Mbit，由32768個頁面組成，每個頁面為256 B。芯片支持頁編程(256 B)，支持扇區擦除(512 kbit)和塊擦除(64 Mbit);最高時鐘頻率為50 MHz，可循環使用10萬次;15 mA典型編程/擦除電流、4 mA典型讀電流(20 mHz時鐘頻率)、50 μA典型Standby電流［12］。由于MSP430單片機片上集成SPI控制器，它的I/O口P3.3作為時鐘輸出連接到M25P64的時鐘輸入，P3.1復用為 SIMO(主控制器輸出)連接到M25P64的輸入端，P3.2作為SOMI(主控制器輸入)連接到M25P64的數據輸出，然后使用其他I/O口控制M25P64的片選和通信狀態。將多片M25P64復用串行總線，能夠擴展更大容量的存儲空間。在實際設計中，采用1片單片機控制3片M25P64，使總容量擴展到了192 Mbit。

GPS15L模塊的輸入輸出語句以NMEA0183 ASCII碼接口協議為基礎。本文使用協議中的MYMPGRMO語句將GPS15L配置為只輸出GPS推薦定位信息(語句為MYMGPRMC)，輸出周期為1 s。單條MYMGPRMC語句包含的數據幀長度為72 B，若直接將原始定位數據幀存儲，當GPS數據刷新周期=1 s時，3片 M25P64級聯下的最大航跡記錄時長為:

分析NMEA0183協議中的MYMGPRMC語句可知:定位數據幀中的有用數據只有UTC時間、精度和緯度等23 B，且均為數字0～9的ASCII碼格式，即0x30H～0x39H。本文由航跡記錄器中的MSP430單片機實時完成GPS數據解包，限定北緯和東經定位范圍，并編碼壓縮為十六進制數據格式。壓縮前后數據對比如圖3所示。

圖3 壓縮前后的GPS數據幀對比Fig.3 Comparison of the GPS data frames before and after compression

2.2 USB低速轉存模式

對實時性要求較高的Flash快速存儲方式，可在航跡記錄器中引入低速USB存儲。這樣做的主要目的是為了以直觀的方式導出航跡數據，以在回收作戰單元后供演練效果分析和復原戰場態勢時使用。導出數據以TXT文本方式存儲在外置優盤中，符合FAT文件系統格式。

在本應用中，航跡記錄器中的MSP430單片機為主機，U盤中的USB接口芯片為從機。因此，本文選擇支持USB主機方式的接口芯片CH375作為航跡記錄器的USB存儲接口。

MSP430單片機可以通過CH375按照相應的USB協議與U盤通信。CH375還內置了處理Mass-storage海量存儲設備的專用通信協議的固件，MSP430可以直接以扇區為基本單位讀寫U盤，或通過U盤FAT文件級子程序庫實現單片機讀寫USB存儲設備中的文件。

MSP430單片機與CH375的連接示意圖如圖4所示。

圖4 MSP430與CH375連接示意圖Fig.4 Connections of MSP430 and CH375

工作于USB主機方式下的CH375在本地端被配置為使用并行接口方式與MSP430通信。并口信號線包括:8位雙向數據總線 D7～D0、讀選通輸入引腳RD、寫選通輸入引腳 WR、片選輸入引腳CS、中斷輸出引腳INT以及地址輸入引腳A0。其中，INT輸出的中斷請求是低電平有效，連接到MSP430的中斷輸入引腳，單片機使用中斷方式獲知中斷請求。CH375占用兩個地址位:當A0引腳為低電平時選擇數據端口，可以讀寫數據;當A0引腳為高電平時選擇命令端口，可以寫入新的命令，或者讀出中斷標志。對于軟件設計而言，命令字的控制方式大大簡化了MSP430控制下的U盤數據讀寫。

3 目標位置監控/轉發中心節點

為節約開發成本、縮短開發周期，遠程目標位置監控/轉發中心節點采用相同的MSP430單片機小系統。

航跡記錄器的硬件復用要點具體如下。

①擴充了LCD顯示模塊，用以動態監控各作戰單元的GPS位置。

②將航跡記錄器中原用于ID標示的8 bit編碼開關配置為功能控制開關，并借助單片機軟件配合實現GPS存儲信息緊急上傳等特殊功能。

③在目標位置監控/轉發節點中配置其他無線中繼通信設備，以實現態勢信息向后方指揮所輸送;也可以配置為便攜式PC，通過與中心節點的協議通信實現態勢的圖形化顯示。

④監控/轉發中心節點能夠向無線信道覆蓋范圍內的多個作戰單元提供GPS位置遠程查詢、備份存儲服務。Flash存儲和USB接口都在監控/轉發中心節點中予以保留，所實現的功能也與航跡記錄器類似。

在單片機嵌入式軟件設計方面，目標位置監控/轉發中心節點采用上位機輪詢下位機的方式實現遠程戰場態勢監控，并在輪詢的同時完成Flash和USB兩種存儲功能。

目標位置監控/轉發中心節點流程如圖5所示。

圖5 目標位置監控/轉發中心節點流程圖Fig.5 Flowchart of the center nodes for target position monitoring/forwarding

4 結束語

以信息化無人演練戰場中的位置信息獲取為需求，本文采用同一套MSP430單片機硬件平臺實現了合作目標的航跡記錄和位置監控功能。在本文所述系統應用中，可以不對航跡記錄器(下位機)加裝無線通信模塊，但僅能在本地端獲得GPS數據。當加裝無線通信模塊后，在目標位置監控/轉發中心節點(上位機)的配合下，一方面能夠實現實時戰場態勢監控;另一方面在作戰單元被摧毀或無法回收的情況下，上位機遠程獲得的航跡記錄數據也成為了演練效果評估的另一種備份數據源，使用靈活、可靠性高。

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