組網測試設備時延修正方法研究*

楊海龍,楊增學,雷 灝,刁小鵬

(中國華陰兵器試驗中心,陜西華陰 714200)

組網測試設備時延修正方法研究*

楊海龍,楊增學,雷 灝,刁小鵬

(中國華陰兵器試驗中心,陜西華陰 714200)

針對精確制導武器、無人機等試驗中采用光學、雷達、GPS等設備組網測試時,由于設備同步、通信傳輸和數據處理產生時延對測試引導精度和可靠性嚴重影響的問題,提出了一種全網時間同步校準、準確獲取設備時延和采用最小二乘法精確修正時延的方法,建立了時延修正模型。試驗應用表明:該方法能有效提升組網設備測試引導精度、平穩性和可靠性,為遠距離、高精度外彈道參數測量提供了有力的技術支持。

組網測試;設備時延;準確獲取;精確修正

0 引言

常規靶場在精確制導武器、直升機機載武器、無人機等試驗中,采用光學、雷達、GPS等測試設備進行組網測試,是解決測試設備間信息共享和融合處理,實現遠距離、高精度彈道參數測量的有效手段。在組網測試中,由于各測試設備同步時間、信息通信傳輸和引導信息處理的時間延遲對組網測試設備引導的精度、平穩性和可靠性產生較大影響。如果不能對光學、雷達、GPS等設備時延進行及時有效的修正,它將對組網測試引導精度和可靠性產生嚴重影響。目前,組網測試設備時延處理方法采用預先固化設備測量數據傳輸鏈路,在通信鏈路中發送閉環信息,測試該鏈路的通信時延,以此測試結果作為設備時延進行引導數據預測。該方法存在兩個弊端:一是獲取的不是試驗實時的通信延時,性質上屬于先驗統計值,因而不能消除實時測試過程中各種隨機誤差影響;二是通信鏈路規劃受限制多,工作量大。

基于以上問題,文中提出了一種全網時間同步校準、準確獲取設備時延和采用最小二乘法精確修正時延的方法,在多種型號精確制導武器試驗組網測試中取得了良好的引導跟蹤測量效果。

1 組網設備時延原因分析

組網測試常見拓撲結構如圖1所示,它由可見光、紅外、雷達、GPS、聲學、氣象等測試設備組成。在組網測試中,獲取的測試信息經過信息融合等處理后生成實時測試信息和引導信息,實現組網測試設備互引導,根據實時測試結果完成設備指揮控制決策和試驗結果評定。

圖1 組網測試拓撲結構

通過對組網測試設備時延分析,認為設備同步時間、信息通信傳輸和引導信息處理的時延是設備時延產生的主要原因[1]。

1.1 設備同步時間時延

組網測試中,參試的光學、雷達、GPS等設備測試信息的發送和接收均以各自的本地時間為基準,各測試設備發送數據和接收數據時存在著一定的時間延遲。

1.2 信息通信傳輸時延

組網測試中各設備通信時,測試信息經過信號處理運算后形成基本信息元,按照特定的協議打包發送給接收方。假設測試通信網采用的最高傳輸速率是19 200 bit/s,傳輸幀頻最高20 Hz。當通信網絡暢通時,一幀數據從開始發送到完成接收需要耗費的時間即為該幀數據傳輸的理論延時。由于各設備發送的數據位數不相同,根據需要發送的數據量除以最高傳輸速率,理論上就可以計算出各設備發送數據產生的端對端時延。常用設備數據端對端理論時延見表1。

表1 常用設備數據端對端理論時延

1.3 引導數據處理時延

組網測試中,設備引導數據處理過程分為5步:1)參試的光學、雷達、GPS等設備將獲取的測試信息在各測量站進行預處理;2)各測量站將預處理的測試信息通過通信網傳輸至設備級中心站再進行相關預處理;3)設備級中心站將各分站預處理測試信息進行綜合處理后,將測試引導信息通過通信網傳輸至指揮控制中心,再轉發給各設備級中心站;4)各設備級中心站將測試信息再轉發給各設備;5)各測量站對接收到的測試引導信息根據時延情況進行時延精確修正處理,引導各測量站同步跟蹤測量。由此可見,測試引導信息至少經過兩級節點進行數據處理,不可避免地引入了時延。

2 組網設備時延獲取與修正方法

2.1 設備時延獲取

為了實時測定組網測試通信網的時延,在組網設備時間基準準確相同的前提下,根據實時傳輸協議,在測試信息發送端對每個數據包都打上一個時間標記[2]。接收端收到發來的數據包后,根據發送時間標記和數據包到達時間計算出通信延時。因此,通過測試信息通信傳輸收發時間標記的產生、網路時間同步校準,計算設備同步時間、信息通信傳輸和引導信息處理的時延,獲取精確的設備時延。

2.1.1 測試時間標記

在組網測試不同設備測試信息傳輸的過程中,采用在測試信息發送端增加發送開始時刻標記ts,在測試信息接收端增加接收完成時刻標記tc,其中ts和tc均以發送端和接收端的本地時鐘為基準。

2.1.2 通信網時間同步校準

組網測試中,要使設備通信網達到時間同步,必須要完成頻率同步和相位同步。同步校準過程分為頻率同步校準和相位同步校準[2-3]。

1)頻率同步校準

設備測試信息發送和接收時延示意如圖2所示,tsn為第n個設備信息在發送端開始時刻的時間標記,tcn為第n個設備信息在接收端接收完成時刻的時間標記。

圖2 設備測試信息發送和接收時延示意圖

計算接收端時鐘與發送端時鐘的頻率偏差Δf,根據Δf對接收端的晶振作相應的調整。其中:

(1)

2)相位同步校準

完成設備頻率校準后,設測試信息發送端時鐘和接收端時鐘在時間上的偏差值為toffset,發送端和接收端之間的線路傳輸時延是tdelay,測試信息發送端和接收端時鐘的偏差與路徑時延的關系如圖3所示。

圖3 測試信息發送和接收端時鐘的偏差與路徑時延的關系

其中,t1為設備信息開始發送時刻的時間標記,t2為設備信息接收完成時刻的時間標記,t3為設備信息接收開始回發時刻標記,t4為設備信息完成回發時刻標記。

由圖3可得:

t1+tdelay+toffset=t2

(2)

t3+tdelay-toffset=t4

(3)

在組網測試通信網中,網絡拓撲結構相對來說比較簡單,通信傳輸鏈路建立起來后比較固定,可認為此時的傳輸時延是雙向穩定對稱,可得:

(4)

獲得Δf和toffset值后,在時間信息中進行修正,可完成測試通信網的時間校準。

2.1.3 通信網時延計算

完成設備時間校準后,就可獲取通信時延,以圖3為例,由式(2)和式(3)求得:

tdelay=t2-t1-toffset

(5)

或

tdelay=t4-t3+toffset

(6)

2.2 彈道測試中時延修正

彈道測試中時延修正分兩步進行:1)在已經測試獲取的設備時延數據序列的基礎上,計算設備引導跟蹤的數據時延;2)根據計算結果,對引導數據進行時延修正。

彈道測試中對設備時延進行修正,通常采用內插、外推等方法對現有的測試數據進行數學處理,推算到當前時刻的測試引導數據。由于采用內插、外推方法進行測試數據推算,不能保證推算后的目標狀態估計值是最優的。通過分析研究,提出采用最小二乘法進行時延修正處理的方法[4-5],確保了同步優化后的目標狀態估計值最優。

2.2.1 時延參數估計

組網測試中,設設備時延的觀測序列為(ti,τi),i=1,2,3,…,n,采用m(m

Pm(t)=a0+a1t+…+amtm

擬合設備時延τ可得:

(7)

其中,τi(i=1,2,3,…,n)為設備時延;ti(i=1,2,3,…,n)為觀測時刻;系數a0,a1,…,am由方程組(8)解得。

(8)

當m=1為一階擬合外推,m=2時即為二階擬合外推。

2.2.2 彈道參數修正

1)一階最小二乘擬合修正

目標飛行試驗時,忽略空氣阻力等影響,在X、Y、Z三個方向上有:

(9)

已知采樣到的目標飛行曲線數據,利用一階最小二乘估計對X、Y、Z方向的數據進行平滑、外推。

①在X方向上,給定n組觀測數據(ti,xi)(i=1,2,3,…,n),修正后射程值為:

x(ti+τi)=vx(ti+τi)+X0

(10)

在Z方向修正方法與X方向相同。

(11)

給定n組觀測數據(ti,yi)(i=1,2,3,…,n),可以獲得修正后的射高值。

2)二階最小二乘擬合修正

(12)

求解可得:

(13)

式中:

在實際測量中,令線性模型中x1=t,x2=t2,X方向彈道觀測值為x(t),則X方向彈道參數估計為:

(14)

式中:

xsum=x(t1)+x(t2)+…+x(tn)

(tx)sum=t1x(t1)+t2x(t2)+…+tnx(tn)

進一步代入延時估計,可以完成X方向的彈道坐標修正。

同理,可以完成Y、Z方向的設備時延彈道修正。

彈道測試中設備時延修正的算法流程如圖4所示。

圖4 彈道測試中設備時延修正算法流程

在測試信息進行最小二乘濾波時,可選擇一階或二階多項式,參與最小二乘濾波運算的測量結果數據點數目不同,可以產生不同的算法和濾波效果。比較一階最小二乘法和二階最小二乘法,在濾波器啟動條件、濾波運算量、運算實時性、對實時測試信息不完整的適應性以及修正的準確程度。不同時間校準算法比較見表2。

表2 不同時間校準算法比較

3 試驗應用

在某型導彈飛行試驗中,彈道測量雷達為不同測試點位的多臺光電經緯儀設備提供跟蹤引導信息。采用10點二階最小二乘法進行時延修正處理,對各光電經緯儀所獲得的實時引導數據與雷達實測數據進行對比。其中一臺光電經緯儀獲得的引導數據與雷達實測數據比對結果如圖5所示,X軸代表導彈射程,Y軸分別代表經緯儀獲得的引導數據與雷達實測數據在射程方向、射高方向和橫偏方向的偏差。

由圖5可知,雷達引導光電經緯儀跟蹤測量導彈在射程為11 km左右時,引導數據經時延修正的誤差范圍:射程方向4.5 m內,射高方向2 m內,橫偏方向3 m內,滿足設備高精度實時引導誤差的需求。在該次試驗測試引導中,光電經緯儀跟蹤引導平穩可靠、測試精度高,圓滿完成了該型導彈飛行試驗測試任務。

圖5 某導彈飛行試驗組網測試設備時延修正結果與實測數據對比

4 結論

1)針對精確制導武器、無人機等試驗中采用光學、雷達、GPS等設備組網測試時,由于設備同步、通信傳輸和數據處理產生時延對測試引導精度和可靠性嚴重影響的問題,提出了一種全網時間同步校準、準確獲取設備時延和采用最小二乘法精確修正時延的方法,建立了時延修正模型,有效地解決了組網測試設備時延精確修正問題。

2)試驗應用表明,該方法能有效提升外彈道組網測試設備測試引導精度、平穩性和可靠性,具有使用靈活、適應性強的特點,為遠距離、高精度外彈道參數測量提供了有力的技術支持。

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Research on Time Delay Correction Method of Networking Test Equipment

YANG Hailong,YANG Zengxue,LEI Hao,DIAO Xiaopeng

(Huayin Ordnance Test Center of China, Shaanxi Huayin 714200, China)

In networking test of optical equipment, radar and GPS on precision-guided weapons and unmanned aerial vehicle, time delay caused by equipment synchronism, communication transmission and data processing has a deep influence on guidance accuracy and reliability. In order to solve the problem, a new method to isochronously calibrate whole-networking time, acquire time delay accurately and fix it with the least-square method was introduced. Then a time delay correction model was proposed. It has been proved that the method can significantly improve equipment guidance accuracy, stability and reliability in the networking test, which provides strong technical support for remote distance and high-precision trajectory parameters measurement.

networking test; equipment time delay; accurate acquirement; accurate correction

2015-11-26

楊海龍(1972-),男,陜西富平人,高級工程師,碩士,研究方向:外彈道測試總體與雷達數據處理。

O389

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