一種地面對靶發射試驗方法的設計分析

秦亮

（中國空空導彈研究院，河南　洛陽　471009）

一種地面對靶發射試驗方法的設計分析

秦亮

（中國空空導彈研究院，河南洛陽471009）

空空導彈研制過程需要進行一系列地面對靶發射試驗，以解決導彈制導系統對真實目標的截獲跟蹤能力。傳統的地面引導系統使用高精度雷達，這種雷達波束很窄，地面試驗中雷達一旦跟蹤過程出現丟失目標無法引導的情況，就會導致試驗無法進行。本文利用靶機下傳的GPS信息，通過GPS地面接收系統接收和數據處理計算機處理后，形成引導地面發射系統所需的俯仰、方位和導彈所需的飛行任務。該方法省去了傳統所必須的雷達，并且徹底解決了小目標、超視距地面靶試中雷達無法穩定跟蹤的問題，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。

空空導彈；炮瞄雷達；飛行任務；坐標變換；GPS靶機

空空、地空導彈研制過程中需要在靶場進行大量的地面對靶發射試驗，以檢驗產品研制各個階段的技術狀態，該試驗的前提是必須保持地面跟蹤設備對目標的穩定截獲，以完成給產品裝訂飛行任務等一系列操作［1］。傳統的地面對靶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］，實際使用中需要目標搜索雷達完成目標的搜索和截獲，如圖1所示。隨著模擬隱身目標的小型無人靶機技術的成熟和在地面對靶發射試驗中的應用，給地面搜索和截獲雷達提出了嚴重的挑戰，在試驗中一旦目標丟失，很難再次跟蹤截獲，造成了大量的人力、物力、財力的浪費和試驗的失敗。

本文就是利用日益廣泛使用的GPS全球定位技術，設計一種基于GPS的全新地面對靶發射試驗方法，來取代傳統的基于雷達的地面對靶發射系統，為飛行試驗節約了時間和成本，創造了良好的經濟效益。

圖1　傳統的雷達系統組成圖

1　方案設計

1.1系統組成及工作原理

該方法與傳統的基于雷達的地面對靶發射控制系統有所不同，它主要有靶機GPS發射系統，地面GPS接收系統，數據處理系統，數據傳輸系統，地面發射系統等組成，如圖2所示。其中，靶機GPS發射系統主要包括安裝在靶機上的GPS接收天線、GPS接收機、功率放大器、數傳電臺以及全向發射天線等，它主要實現靶機GPS信號的接收、放大和發送。地面接收系統包括接收天線、功率放大器、數傳電臺和射頻線等，主要實現對靶機發射的GPS信息的接收和射頻到基帶的轉換。數據處理系統主要后數據處理計算機、總線接口以及處理軟件組成，其中數據處理計算機是整個系統的控制中心，用于獲取發射系統原點的GPS位置，通過專用的數據處理軟件把WGS-84系下的靶機GPS位置（經度L、緯度B、海高H）轉換成空間直角坐標系下的位置坐標（X，Y，Z），再轉換成導彈所需要的慣性系下的信息。數據傳輸系統組要有總線接口、數據傳輸線纜組成，主要完成數據的遠距離傳輸。地面發射系統主要有隨動平臺，發射裝置、以及操作臺燈組成，主要實現導彈產品的掛裝，校靶以及發射控制等功能。

圖2　基于GPS靶機的系統組成圖

目標信息的解算

要想實現地面對靶發射試驗，完成給導彈傳遞飛行任務的功能，首先需要將靶機的GPS位置和速度信息結算到導彈所在的慣性坐標系中。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，而雷達慣性坐標系建立與雷達位置和方向有關，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信息對導彈進行指示引導，必須進行WGS-84坐標系和雷達慣性坐標系之間的轉換［3］。

a）WGS84坐標系轉換為地球直角坐標系

假如地球表面一點P在地球直角坐標系內為P（X，Y，Z），在大地坐標系內為P（B，L，H），則大地坐標系轉變直角坐標系：

式中N為橢球的曲率半徑，E為第一偏心率，B為緯度，L為經度，H為高度（WGS84系）。

地球的長短半徑分別為a、b，則：

b）地球直角坐標系變換為慣性系下的導航坐標

式中B、L分別為WGS84坐標系下P點的緯度和經度。

利用旋轉矩陣對WGS84的坐標系旋轉和平移，即可完成WGS84坐標系到北東天坐標系的轉換：

2　系統誤差分析

要想實現用GPS信息取代雷達引導導彈攻擊靶機，并給導彈傳遞所需要的飛行任務，完成對目標的攻擊，最重要的要保證整個系統的動態誤差在導彈可接收的范圍，這樣才能保證導彈中末制導交接的順利完成，下面探討下影響整個試驗結果的幾個關鍵因素。

2.1數據實時性

與傳統雷達不同，基于GPS靶機的數據天地傳輸路徑為：衛星--天線--＞靶機GPS接收機--＞數傳電臺--＞發射電線；地面傳輸路徑為：接收天線--＞數傳電臺--RS232--＞數據處理計算機--RS485--＞適配器--＞隨動平臺。其中，GPS數據下傳速率取決于GPS接收模塊的最大數據輸出率，目前我們常用的車載或手機的GPS模塊為1Hz，無法滿足定位誤差和實時性要求，本方案中我們選用JAVAD JGG100，它的數據輸出率最大為20Hz，定位誤差為實時誤差±15m，實時測速誤差為±1m/s。這樣天地傳輸延時最大延時0.05s；根據美國國家海洋電子協會的NMEA 0183標準協議，我們選取$GPGGA進行傳輸，RS232的數據傳輸波特率為9600bps，傳輸的完整一幀數據長度為94個字，加上起始位和停止位（無奇偶校檢位）約為9400個位，時間大約為0.1s；數據處理計算機給適配器發送數據周期是24ms，RS485的數據傳輸波特率為38.4kbps，每幀傳送210個字，加上起始位、停止位和奇偶校檢位，約2310個位，時間延遲大約為0.06s；數傳電臺、數據處理計算機以及適配器的數據處理時間都是毫秒級，可以忽略不計，所以整個鏈路數據傳輸時間延遲約為0.11s。

這樣從靶機上的GPS接收機接收到GPS信息到數據處理計算機將接收到的GPS信息處理成隨動平臺和導彈各自需要的目標信息，所需要的時間大約為0.11s，目前所需要的靶機一般速度為亞音速，也就是說靶機在這段時間內最大的飛行距離為0.11s×340m/s=37.4m。以美國AIML/M響尾蛇導彈最大射程7Km計算，由于GPS實時傳輸而引起的引導跟蹤最大實時誤差為0.306°，完全滿足導彈引導要求。

2.2信號丟失問題

由于目前我們使用的GPS衛星波段為民用的L1波段（中心頻率為1575.42MHz），容易受到遮擋而出現信號丟失的問題，在真正的地面對靶發射試驗中，靶機在飛行過程中為了完成固定的航線，必然出現轉彎或者翅膀抖動的現象，這樣就可能造成GPS信息的丟成。在GPS數據丟失期間，地面發射系統因收不到目標的俯仰和方位而無法進行實時跟蹤，導彈無法更新飛行任務，這樣就會增加整個引導的動態誤差，當動態誤差達到導彈無法接受的程度，就可能出現地面導彈無法跟蹤上目標靶機，造成試驗的暫時性中斷，給試驗帶來了安全隱患。為了消除由于靶機抖動或轉彎造成的GPS信息丟失的問題，軟件上可以采用濾波算法，如果GPS信息丟失后進進行遞推，硬件上可以采用目前較為成熟的GPS天線陣列設計，在靶機的對稱翅膀上安裝GPS天線陣，這樣無論靶機怎樣抖動，總有至少一個GPS接收天線朝向衛星，從而避免了由于遮擋而造成GPS信號丟失的問題。

2.3靶機影響

除了上述影響因素之外，靶機的飛行姿態也會對動態誤差有影響。由于動態誤差只與導彈對靶機視線的切線角速率有關，如果靶機沿導彈視線方向飛行，那么理論上GPS引導的動態為零。只有靶機沿導彈對靶機視線的切線方向飛行，靶機的飛行速度才能對動態誤差產生最大的影響。而實際使用中，一般設計靶機對地面發射系統的航路捷徑為1～2Km，這樣實際使用中導彈對靶機視線的切線角速率往往變化很小。

3　結語

本文利用靶機下傳的GPS信息，通過GPS地面接收系統接收和數據處理計算機處理后，通過專用的數據處理軟件把WGS-84系下的靶機GPS位置轉換成導彈所需要的北東天慣性系下的信息，經特定格式打包后引導地面發控系統，并形成導彈所需的飛行任務。此方法在地面發控系統中省去了傳統所必須的雷達，并且徹底解決了小目標、超視距地面靶試中雷達無法穩定跟蹤的問題，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。

［1］王德周，李耀民.基于GPS技術輔助雷達引導系統設計［J］.計算機測量與控制，2013（1）.139-141.

［2］702D炮瞄雷達使用維護說明書［Z］.中國兵器工業第二零六研究所.

［3］楊晨，葉少杰，周頤.空空導彈試驗和鑒定［M］.北京，國防工業出版社.2007.

［4］張建學.空空導彈GPS飛行軌跡軟件的設計與實現［J］.電子設計工程，2012（1）.139-141.

［5］何睿，張堅武.GPS電子地圖坐標轉換方法研究［J］.火控雷達技術，2006，6（35）：82-84.

［6］徐德偉，李海艦，曹城中.WGS-84坐標系統向地方坐標系轉換過程的研究［J］.淮海工學院學報2009.（1）：66-68.

［7］李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理（第二版）［M］.武漢：武漢大學出版社，2011.

［8］桂延寧，張福順，焦李成.飛行軌跡及參數測量的一種新方法［J］.電子學報，2003（12）：1894-1896.

S223.2

A

1003-5168（2015）-12-0055-2

秦亮（1987-），男，碩士，研究方向：導彈飛行試驗研究。