衛星授時的彈丸飛行時間測試方法

孫 健，楊慧武

（中國白城兵器試驗中心，吉林 白城137001）

彈丸飛行時間測試是靶場試驗的一個重要測試項目，其測試方法主要有2種，即雷達測試和區截裝置測試［1］。輕武器彈道低伸，彈丸體積小、速度快，雷達測試存在一定難度，因此輕武器彈丸飛行時間測試大多采用區截裝置和計時儀相結合的方式，并利用信號線實現測量控制和數據傳輸。這種有線傳輸方式的試驗準備時間長、效率低，特別是當地形條件復雜導致無法布線時，則無法進行試驗。為解決這一問題，本文提出了采用無線傳輸、利用衛星授時的彈丸飛行時間測試方法。

1 采用有線傳輸方式測試彈丸飛行時間存在的問題

1.1 有線傳輸測試方法的基本原理

輕武器彈丸飛行時間測試一般是參考槍械有效射程，測量從槍口到距槍口一定距離處彈丸的飛行時間。采用有線傳輸方式測試彈丸飛行時間的原理如圖1所示。圖1中，用紅外探測器或炮口夾作為區截裝置1來感知彈丸飛出槍口時的信號，利用傳輸電纜將該信號傳輸到多路計時儀，并用該信號啟動多路計時儀開始計時；用廣角單幕或多幕天幕靶等作為區截裝置2感知彈丸飛躍區截裝置2的信號，用傳輸電纜將該信號傳輸到多路計時儀，并用該信號停止多路計時儀計時，此時多路計時儀記錄的時間值即為彈丸從槍口飛到區截裝置2的飛行時間［2］。

圖1 采用有線傳輸方式測試彈丸飛行時間的測試原理圖

1.2 有線傳輸測試方法存在的問題

首先，在測試彈丸飛行時間時，測試距離少則幾百m，多則上km甚至幾km，采用有線傳輸方式測試時，從槍口到測試點之間要布設至少一根長信號線（當要同時測量多點的飛行時間時，則需要布設多根信號線），每根信號線又由多根200m長的短信號線通過連接插座連接而成，信號傳輸線路的可靠性差，試驗過程中經常出現問題，影響試驗的正常進行。

第二，采用有線傳輸方式進行彈丸飛行時間測試，測試前要進行布線和設備聯調，試驗準備時間長，試驗后還要撤收電纜，人力、物力消耗大，并嚴重影響試驗效率。特別是當試驗場區的地形條件比較復雜時，有可能無法完成布線，導致試驗無法進行。

2 衛星授時的彈丸飛行時間測試方法

2.1 測試系統的構成

衛星授時的彈丸飛行時間測試系統主要由2套區截裝置和2套數據采集與處理系統構成，如圖2所示。其中區截裝置由炮口夾、紅外探測器和廣角天幕靶等組成；數據采集與處理系統由多路計時儀、計算機、GPS（或北斗）時間模塊和無線傳輸模塊組成。

GPS時間模塊的功能是向多路計時儀提供秒時鐘脈沖信號（頻率為1Hz的時鐘脈沖信號），并通過RS232接口將該秒時鐘脈沖信號的每一個正脈沖信號到來時的時間值（協調世界時，又稱世界統一時間、世界標準時間、國際協調時間，簡稱UTC，是以原子時秒長為基礎，在時刻上盡量接近于世界時的一種時間計量系統）傳送給計算機［3－4］。

多路計時儀的功能是接收GPS時間模塊提供的秒時鐘信號，在該信號的控制下將多路計時儀記錄的時間值同步到UTC上，并完成多通道0.1μs級的計時。

計算機的功能，一是通過RS232接口接收GPS時間模塊提供的用于對多路計時儀進行時間同步的秒時鐘脈沖到來時的時間值（UTC），精確到s；二是讀取多路計時儀紀錄的多通道0.1μs級的時間值，并將二者合成為0.1μs級以UTC的0時為基準的時間值。

無線傳輸模塊的功能，一是將數據采集與處理系統采集到的時間數據傳輸到另一個數據采集與處理系統中；二是接收另一個數據采集與處理系統采集到的時間數據。

區截裝置用來拾取彈丸飛出槍（炮）口和彈丸飛到彈道上某一固定位置的信號，用來啟動和停止多路計時儀計時。

圖2 衛星授時的彈丸飛行時間測試系統組成原理圖

2.2 測試系統工作原理

衛星授時的彈丸飛行時間測試系統的工作原理如圖3所示。

圖3 衛星授時的彈丸飛行時間測試系統工作原理圖

系統加電后，GPS時間模塊開始向多路計時儀發送秒時鐘脈沖信號（頻率為1Hz的時鐘脈沖信號），在每一個秒時鐘脈沖的上升沿到來時，通過RS232接口向計算機發送UTC時間數據（精確到s）。當多路計時儀接收到計算機發送的復位命令后，在下一個有效的GPS秒時鐘脈沖到來時對多路計時儀進行初始化，此時計算機通過RS232接口讀取GPS時間模塊提供的時間數據（UTC），數據采集與處理系統1讀取的UTC（時間值）為t11，數據采集與處理系統2讀取的UTC（時間值）為t21，使數據采集與處理系統與GPS提供的UTC同步，同時多路計時儀開始計時。當彈丸飛出槍（炮）口時，由區截裝置1給出彈丸飛出槍（炮）口的信號，使多路計時儀1停止計時，此時多路計時儀1計得的時間值為t12；當彈丸飛過區截裝置2時，由區截裝置2給出彈丸飛過區截裝置2的信號，使多路計時儀2停止計時，此時多路計時儀2計得的時間值為t22。由此可以得到彈丸飛出槍（炮）口的時間t1＝t11＋t12（0.1μs級以UTC的0時為基礎的時間值），彈丸飛過區截裝置2的時間t2＝t21＋t22（0.1μs級以UTC的0時為基準的時間值），再由無線傳輸模塊將t2傳送到數據采集與處理系統1，則彈丸從出槍（炮）口飛行至區截裝置2的飛行時間t＝t2－t1。

3 數據采集與處理系統設計

3.1 數據采集與處理系統組成

數據采集與處理系統由多路計時儀、GPS時間模塊、無線傳輸模塊、計算機、打印機和數據采集與處理軟件組成（參見圖2）。

3.2 多路計時儀設計

多路計時儀由信號調理器、存儲器寫控制信號發生器、信號存儲器、時間存儲器、計數器、I／O接口、時鐘信號發生器和同步處理電路組成，如圖4所示。

圖4 數據采集與處理系統組成原理圖

圖4 中區截裝置的作用是拾取彈丸位置信號，用來啟動和停止多路計時儀計時。

信號調理器的作用是將區截裝置提供的彈丸位置信號轉換為寬度為10μs、幅度為TTL電平的低電平信號。

存儲器寫控制信號發生器的作用是在時鐘脈沖信號的上升沿到來時將觸發信號轉換為寬度為一個時鐘周期、幅度為TTL電平的低電平信號，即觸發信號信息；在該時鐘脈沖信號的下降沿到來時，產生一個寬度為半個時鐘周期、幅度為TTL電平的低電平信號，即存儲器寫控制信號，在該信號的作用下，將觸發信號信息存入信號存儲器，將觸發信號到來時的時間信息（計數器輸出的計數值）存入時間存儲器。

信號存儲器的作用是用來存儲觸發信號信息。該存儲器由1 024×c（深度為1 024，寬度為c，且c等于多路計時儀的通道數）、帶獨立讀寫指針（讀指針和寫指針獨立）和空標志位、可清除的先入先出存儲器構成。當通道數較少時，存儲器的位數c一般與計時儀的通道數一致；當通道數較多時，為了減少存儲器的位數（主要是為了減少硬件的數量），可以采用分區編碼技術。例如當通道數為64時，如不采用分區編碼技術，則信號存儲器的位數c應為64；若將64個觸發信號分成8個區，每個區中有8個觸發信號，則只需要16（c為16）位信號存儲器就能滿足要求。

時間存儲器的作用是用來存儲計數器記錄的時間信息。該存儲器由1 024×16（深度為1 024，寬度為16）、帶獨立讀寫指針（讀指針和寫指針獨立）和空標志位、可清除的先入先出存儲器構成。

計數器的作用是用來對計時時鐘信號進行計數。該計數器采用硬件和軟件相結合的方式設計，硬件計數部分為帶進位端可同步清除的16位2進制計數器，當時鐘頻率為10MHz時，最大計時時間為6.553 6ms，即每隔6.553 6ms產生一個進位信號；軟件計數部分是在計算機內存中開辟一個存儲區（假設該存儲區中的數字用a表示），計算機每檢測到一個低16位計數器（硬件計數器）輸出的進位信號后，將該存儲區中的數字a加1，如低16位計數器（硬件計數器）記錄的計時時鐘信號的脈沖信號的個數用b表示，則計時儀記錄的時間值t＝6 553.6a＋b，單位為μs。

時鐘信號發生器的作用是為多路計時儀提供計時時鐘信號。該時鐘信號發生器采用高穩定度的恒溫晶體振蕩器設計，其輸出的時鐘信號的頻率為10MHz，幅度為TTL電平，占空比為50%的方波信號，因此時間分辨率為0.1μs。

同步處理電路的作用是產生一個低電平的復位信號，用來對多路計時儀進行初始化（即清零），使多路計時儀的零時與UTC的秒時間一致。

3.3 數據采集處理系統工作原理

系統加電后，GPS時間模塊開始向多路計時儀發送秒時鐘脈沖信號（頻率為1Hz的時鐘脈沖信號），在每一個秒時鐘脈沖的上升沿到來時，通過RS232接口向計算機發送GPS（UTC）時間數據（精確到s）。當多路計時儀接收到計算機發送的初始化控制信號后，在下一個有效的GPS秒時鐘脈沖信號的上升沿到來時產生一個寬度為一個GPS秒時鐘脈沖信號周期（1s）的低電平信號，即時間同步信號（復位信號），對計數器、信號存儲器和時間存儲器進行初始化清零，同時將該信號通過I／O接口發送給計算機；當時間同步信號結束后（上升沿到來時），計數器開始計數，計算機通過I／O接口讀取GPS時間模塊發送的GPS時間數據t11。當區截裝置產生的觸發信號通過電纜送至數據采集與處理系統的信號調理器后，由信號調理器將其調整為寬度為10μs、幅度為TTL電平的低電平觸發信號；存儲器寫控制信號發生器接收到信號調理器輸出的觸發信號后，在下一個時鐘脈沖信號的上升沿到來時將觸發信號轉換為寬度為一個時鐘周期、幅度為TTL電平的低電平信號，即觸發信號信息；在該時鐘脈沖信號的下降沿到來時，產生一個寬度為半個時鐘周期、幅度為TTL電平的低電平信號，即存儲器寫控制信號，在該信號的作用下，將觸發信號信息存入信號存儲器，將觸發信號到來時的時間信號（計數器輸出的計數值）存入時間存儲器；計算機通過I／O接口將存儲在信號存儲器和時間存儲器中的觸發信號信息和觸發信號到來時的時間信息讀出，根據預先設定的程序進行分析、計算和處理，即可得到多路計時儀記錄的彈丸飛過區截裝置的時間值t12（相對于系統初始化時的GPS時間t11），則彈丸飛過區截裝置的時間值t1＝t11＋t12。

3.4 數據采集與處理系統軟件介紹

數據采集與處理軟件的功能，一是對數據采集與處理系統進行同步控制，即系統啟動時，計算機通過I／O口向同步處理電路發送初始化控制命令，使數據采集與處理系統與下一個有效的GPS秒時鐘脈沖信號同步，同時讀取該時刻GPS時間值；二是采集測試數據，即將存儲在信號存貯器中的觸發信號信息和進位信號信息及存儲在時間存儲器中的時間信息讀入計算機中，并將其存儲在計算機的內存中；三是將數據采集與處理系統1測得的彈丸飛出槍口的時間值t1傳輸到數據采集與處理系統2，將數據采集與處理系統2測得的彈丸飛過區截裝置2的時間值t2傳輸到數據采集與處理系統1；四是進行數據處理，即根據設定的程序和數據處理方法對存儲在計算機內存中的數據進行分析、處理，計算出所需結果；五是顯示輸出結果，即將分析、處理所得數據在計算機屏幕上顯示并送打印機輸出。

數據采集與處理軟件運行的環境適用當前主流操作系統，既 Windows9X、Windows2000和 WindowsXP。因此必須設計上述3種操作系統的設備驅動程序，該軟件能自動識別操作系統，自動安裝相應的設備驅動程序。

4 結束語

采用本文方法研制了一套基于GPS的彈丸飛行時間測試系統，由于GPS受時系統（GPS時間模塊）的受時精度可以達到40ns以上，多路計時儀本身的計時精度也可以達到10－7以上（恒溫晶體振蕩器的頻率穩定度和準確度可以達到10－9和10－8）。使用該方法與有線傳輸的彈丸飛行時間測試方法進行對比測試，其相對誤差優于10－7（GPS受時系統帶來的誤差），而試驗效率可以提高3倍以上。

［1］孟繼一，范啟勝，程學林.輕武器測試技術［M］.北京：國防工業出版社，2005.MENG Ji－yi，FAN Qi－sheng，CHENG Xue－lin.Small arms testing technique［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2005.（in Chinese）

［2］董濤，倪晉平，馬時亮.基于天幕靶的彈丸飛行時間計算方法［J］.探測與控制學報，2007，29（3）：29－33.DONG Tao，NI Jin－ping，MA Shi－liang.A method of computing the pill flying time based on shy screens［J］.Journal of Detection ＆ Control，2007，29（3）：29－33.（in Chinese）

［3］張勤.GPS測量原理及應用［M］.北京：科學出版社，2010.ZHANG Qin.GPS measuring principle and applications［M］.Beijing：Science Press，2010.（in Chinese）

［4］戚淑芬，李明，李利潔，等.嵌入式GPS數據采集系統的設計與實現［J］.儀器儀表學報，2006，27（增刊1）：127－129.QI Shu－fen，LI Ming，LI Li－jie，et al.Design and realization of GPS data acquisition system based onembeded system［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27（s1）：127－129.（in Chinese）