基于GPS的炮瞄雷達輔助引導系統軟件設計與實現

摘 要： 空空導彈研制過程需要進行一系列地面飛行試驗，而炮瞄雷達為高精度跟蹤雷達，波束很窄，不具備大范圍自動搜索功能；在地面試驗中，雷達跟蹤過程出會現丟失目標無法引導的情況，構不成試驗條件，導致試驗無法進行；該軟件利用靶機提供的GPS定位數據，實時解算目標方位、俯仰信息傳輸給炮瞄雷達系統，實現了對目標的輔助引導、對靶機飛行軌跡的記錄回放、以及對目標方位修正功能；實際應用結果表明，該軟件具有較高的可靠性和可擴展性，完全滿足輔助引導系統的需要。

關鍵詞： 空空導彈； 炮瞄雷達； 輔助引導系統； 坐標變換； GPS

中圖分類號： TN957.52?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）01?0041?03

0 引 言

空空導彈研制過程中需要在靶場進行大量的地面發射飛行試驗，該試驗的前提是必須保持雷達對目標的穩定截獲跟蹤，以完成給產品裝訂飛行任務等一系列操作[1]。傳統的導彈地面發射試驗是使用一種高精度炮瞄雷達為導彈指引目標，而這種雷達波束很窄，不具備大范圍自動搜索功能[2]，而正式裝備部隊使用時截獲目標是依靠搜索雷達完成前期引導的。目前地面靶試中采用的目標機均為小尺寸靶機，此類靶機本身的RCS反射特性很小，受限于安裝空間，加裝“龍伯球”、“角反射體”僅限于前向很窄的范圍，后向反射特性小[3]。在靶試試驗中一旦丟失目標后，啟動搜索程序，再次截獲目標將非常困難，特別是在超視距條件下則幾乎是不可能的，這給飛行試驗帶來很大的困難，造成靶試任務無法進行。

本文利用日益廣泛使用的GPS全球定位技術，接收從靶機下傳的GPS信息，進行坐標轉換后形成角度信息，再轉換為雷達可識別的信號，在雷達信號回波不足以截獲目標的情況下，輔助引導雷達天線始終對準目標，在目標對向試驗航路時可以立即完成對目標的鎖定跟蹤，并實現了對目標飛行航跡的實時顯示、記錄、回放以及對目標的誤差修正功能，解決了雷達在跟蹤過程中丟失目標后無法二次截獲的問題，為飛行試驗節約了成本，創造了良好的經濟效益。

1 軟件設計需求

該軟件能夠接收、存儲、解算靶機下傳的GPS數據，并轉化成雷達可以識別的信息，實時顯示目標的飛行軌跡和飛行參數，主要功能需求如下：

（1） 實時接收、記錄靶機下傳的GPS導航電文；

（2） 數據處理軟件能夠對WGS?84坐標系所確定的地理坐標系和雷達坐標系初始對準偏差進行設置；

（3） 利用高斯投影對GPS經緯度進行處理，給出目標平面飛行航跡圖；

（4） 能夠把GPS經緯度信息處理成雷達坐標系下的方位角和俯仰角信號；

2 軟件設計與實現

雷達輔助目標導引系統的控制軟件采用多線程和模塊化進行設計，通過對線程優先級的設定來保證任務調度的完成，線程之間通過事件和共享內存進行通信。模塊的設計的原則為高內聚低耦合，便于系統的維護和升級，其具體系統軟件組成圖如圖1所示。由于線程較多，下面就選幾個特例加以說明。

圖1 輔助引導系統軟件組成圖

2.1 系統初始化

系統控制軟件在上電或系統復位時，系統保證正常運行所完成的一系列的準備工作，包括串口的打開和通信協議的設置、程序變量、線程的創建、定時器的開啟等初始化內容，系統如果初始化失敗，給出提示并停止程序的執行，該模塊運行在軟件的主線程。

2.2 飛行目標位置數據處理

按照無線接收機的通信協議對數據進行接收，并按照數據的校驗規則對數據進行校驗。該模塊運行在飛行目標數據的接收線程。主要功能包括定位信息的接收、定位信息的提取。

定位信息的接收：利用RS 485接口將飛行目標的定位信息接收到計算機中，為保證傳輸的實時性采用傳送效率較高的事件觸發方式接收數據，并以字節流的形式存入內存中。

定位信息的提取：按照給定的協議格式解析出所需的導航信息。

2.3 目標位置解算

目前廣泛使用的GPS接收機所獲得的定位數據是基于WGS?84坐標系，WGS?84坐標系是一個地心地固坐標系，坐標原點位于地球的質心，[Z]軸指向BIH1984.0定義的協議地球極方向，[X]軸指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交點，[Y]軸與[X]和[Z]軸構成右手系[4]。而雷達坐標系建立與雷達放置方向有關，原點位于地表，[X]軸平行于地表，[Y]軸天向，[Z]軸與[X]和[Y]軸構成右手系，為了利用GPS信息對雷達進行引導，必須進行WGS?84坐標系和雷達坐標系之間的轉換[5]。

（1） 將GPS的WGS?84地球大地坐標系數據轉換為地球直角坐標系數據[6]

設地球表面任意一點[P]在地球直角坐標系內表達為[P（X，Y，Z），]在地球大地坐標系內表達為[P（B，L，H）。]則地球大地坐標系變為地球直角坐標系：[X=（N+H）cosBcosLY=（N+H）cosBsinLZ=N1-E2+HsinB] （1）

式中：[N]為橢球的曲率半徑；[E]為橢球的第一偏心率。在WGS?84坐標系下[B]為緯度；[L]為經度；[H]為高度。

設地球的長半徑為[a，]短半徑為[b，]則有：

[E=a2-b2a] （2）

[N=a1-E2sin2B] （3）

式中：[a=]6 378 137 m，[b=]6 356 752 m。

（2） 將WGS?84地球直角坐標系變換為北東天直角坐標系下的導航坐標

設地球表面任意兩點[P]和[Q]在地球直角坐標系內表達為[P（XP，YP，ZP）]和[Q（XQ，YQ，ZQ），]在地球大地坐標系內表達為[P（B，L，H），]則由地球直角坐標系變換到北東天坐標系的旋轉矩陣可表示為：

[ROP=-sinBcosL-sinBsinLcosB-sinLcosL0cosBcosLcosBsinLsinB] （4）

式中[B，L]分別為WGS?84坐標系下[P]點的緯度和經度。

利用旋轉矩陣對WGS?84的坐標系旋轉和平移，即可完成WGS?84坐標系到北東天坐標系的轉換，用數學公式可將轉換過程表示為：

[NQPEQPUQP=ROPXQ-XPYQ-YPZQ-ZP=-sinBcosL-sinBsinLcosB-sinLcosL0cosBcosLcosBsinLsinBXQ-XPYQ-YPZQ-ZP] （5）

式中：[NQP，EQP，UQP]即是WGS?84在北東天直角坐標系下點Q相對于點P的導航坐標。

（3） 根據導航坐標可求解目標的方位角和高低角

知道了Q點相對于點P的導航坐標，可以進一步求出Q點相對P的球坐標系下的方位角和高低角如下：

方位角：

[β=arctanEQPNQP] （6）

高低角：

[ε=arctanUQPN2QP+E2QP] （7）

2.4 飛行目標航跡的實時顯示、記錄和回放

對飛行目標數據的處理，在軟件界面上實時動態的顯示，同時對數據進行記錄。通過指令按鈕可以按照目標航跡記錄的日期進行航跡回放。

3 系統可靠性設計

3.1 目標預期濾波

由于通過GPS獲取到的目標位置數據滯后于目標的實際位置，并且GPS獲取目標的頻率低于雷達控制系統的帶寬頻率，如果不對接收到的數據進行濾波和外推，就會對雷達控制系統的穩定性和跟蹤精度都會有較大的影響，為滿足跟蹤控制系統實時性和精度要求，采用預測濾波技術來改善控制系統的性能。

通過預測濾波技術一方面補償GPS獲取目標數據的滯后，另一方面通過多次數據的外推與雷達伺服周期同步。由于跟蹤目標的位置信息是一個相對有規律平穩變化的信號，對目標位置信號作為預測濾波的基礎，可得到較為準確的信號。為防止通信中斷時引起的路徑外推失真，對于通信中斷設置了邊界條件，超過一定時間的通信中斷會被認定為通信故障，停止外推處理，并在通信恢復時作出一定的處理。

目前預測濾波的算法較多，這里選用較為實用最小二乘法。累加格式的最小二乘濾波需要記憶大量的測量數據，為避免這一缺點先采用累加格式最小二乘濾波確定遞推格式的最小二乘濾波初值，然后再用累加格式的最小二乘濾波，實現過程的數學模型如下：

累加格式的最小二乘濾波的數學模型：

[xn=3ni=1nzi-6（4n-3）n（n+1）（n+2）i=1nizi+30n（n+1）（n+2）i=1ni2zixn=6（4n-3）n（n-1）（n-2）Δti=1nzi+12（-14n2+11）n（n2-1）（n2-4）Δti=1nizi+180n（n+1）（n2-4）i=1ni2zixn=60n（n-1）（n-2）Δt2i=1nzi-360n（n-1）（n2-4）Δt2i=1nizi+360n（n2-2）（n2-4）i=1ni2zi] （8）

遞推格式的最小二乘濾波的數學模型：[xn=xn/n-1+3（3n2-3n+2）n（n+1）（n+2）（zn-xn/n-1）xn=xn/n-1+18（2n-1）n（n+1）（n+2）Δt（zn-xn/n-1）x=xn-1+60n（n+1）（n+2）Δt2（zn-xn/n-1）] （9）

式中[xn/n-1=xn-1+Δtxn-1+Δt22xn-1。]

3.2 野點剔除

由于軟件是通過無線地面接收設備實時接收來自目標設備的GPS位置信息，實際使用中往往會出現通信中斷或數據失真（數據明顯偏離正常數值或無效），對于偶爾的數據丟失或失真，程序中進行了野值剔除處理，一般來說可以解決數據偶然錯誤帶來的問題。對于長時間通信中斷，在軟件上采取了濾波歸零的措施，避免了由于長時間“外推”引起的位置推算錯誤。

4 實施效果

該軟件能夠實時顯示飛行目標的斜距、水平距離、高度、速度、方位和俯仰等數據，將給雷達引導需要的方位和俯仰信息實時解算后通過RS 485總線發送給炮瞄雷達，引導雷達天線始終對準目標，并且實時顯示和記錄目標的飛行軌跡，提高了試驗的成功率和準確度。

輔助引導系統軟件界面如圖2所示。

圖2 輔助引導系統軟件界面圖

5 結 語

本文利用GPS技術，在不改動雷達硬件及軟件的基礎上，實現了輔助雷達引導系統軟件設計。該軟件能夠有效提升了炮瞄雷達使用范圍，尤其解決了小目標、超視距地面靶試中雷達丟失目標后無法引導截獲的難題，為飛行試驗提供了有力的技術保障。

該軟件通過設計一個模塊化的結構體系，并經編碼、調試后，在某型號經實際應用表明，不但具有很好的擴展性，而且運行穩定、可靠、完全滿足對炮瞄雷達輔助引導的需要，從而大大提高了試驗效率和試驗結果的有效性，節約了試驗經費和時間。

參考文獻

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