基于北斗衛(wèi)星通信定位的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦明峰

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù) 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050081)

0 引言

戰(zhàn)斗機(jī)主要用于保護(hù)我國(guó)領(lǐng)土安全，是我國(guó)的一種重要飛行武器，目前戰(zhàn)斗機(jī)的有效使用權(quán)限只限定在軍用領(lǐng)域。戰(zhàn)斗機(jī)具有較好的飛行性能和攻擊性，完成任務(wù)時(shí)通常用于團(tuán)體協(xié)作，戰(zhàn)斗機(jī)的隊(duì)形對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)執(zhí)行任務(wù)的完成效果十分重要，在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，戰(zhàn)斗機(jī)排列的某一種隊(duì)形不是隨機(jī)而定的，而是需要考慮戰(zhàn)斗機(jī)工作的環(huán)境因素、任務(wù)難度因素、干擾因素等各個(gè)條件，以保證戰(zhàn)斗機(jī)之間信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和隊(duì)形位置的精準(zhǔn)度，設(shè)計(jì)的一種戰(zhàn)斗機(jī)飛行隊(duì)形[1-2]。

為了確保戰(zhàn)斗機(jī)在隊(duì)形指揮控制過(guò)程中，對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)的通信干擾能力最低，為提高戰(zhàn)斗機(jī)執(zhí)行任務(wù)的攻擊力以及工作效率，本文進(jìn)行基于北斗衛(wèi)星通信定位的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，以北斗衛(wèi)星通信定位為輔助條件，提高戰(zhàn)斗機(jī)變換隊(duì)形的效率。在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，利用對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試分析，驗(yàn)證此系統(tǒng)的功能性，實(shí)現(xiàn)本文預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

1 基于北斗衛(wèi)星通信定位的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于北斗衛(wèi)星通信定位的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)硬件主要由定位器、指揮器、信號(hào)接收器和監(jiān)控器四部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由監(jiān)控器、定位器、指揮器及信號(hào)接收器組成。通過(guò)定位器時(shí)刻確定戰(zhàn)斗機(jī)的相對(duì)地理位置，并將位置信息傳輸至監(jiān)控器，由指揮器下達(dá)戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形變換指令，通過(guò)信號(hào)接收器實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)之間和戰(zhàn)斗機(jī)與總指揮之間的通信連接。

1.1 定位器

因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的交互性，融入了北斗衛(wèi)星通信定位技術(shù)，在系統(tǒng)硬件區(qū)域設(shè)計(jì)了定位器，此器件的設(shè)計(jì)目的是時(shí)刻確定戰(zhàn)斗機(jī)的相對(duì)地理位置，并協(xié)助部署中心，發(fā)布最合理的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制任務(wù)[3-4]。定位器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 定位器結(jié)構(gòu)圖

為了使戰(zhàn)斗機(jī)達(dá)到以上的功能，選用HD-38型號(hào)的定位器，此定位器的地理數(shù)據(jù)庫(kù)與我國(guó)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)庫(kù)相同，數(shù)據(jù)信息充足，保證定位的精準(zhǔn)度和定位效率。定位器與計(jì)算機(jī)端相連，器件采用塑封模式，防止器件風(fēng)化，降低系統(tǒng)性能，定位器在戰(zhàn)斗機(jī)位置確定過(guò)程中，集成GPS定位、北斗定位、LBS定位以及WIFI定位技術(shù)，并且設(shè)置監(jiān)控器，方便系統(tǒng)復(fù)盤工作。此定位器采用充電電池，電池容量為6 000 MH，可以持續(xù)工作100天[5-7]。HD-38型號(hào)定位器電路圖如圖3所示。

圖3 HD-38型號(hào)定位器電路圖

1.2 指揮器

戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的指揮器的工作任務(wù)是執(zhí)行指揮中心下達(dá)的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形變換指令，指揮器的靈敏性尤為重要，影響到系統(tǒng)的工作效率，本文選擇HD-72X型號(hào)的指揮器。HD-72X型號(hào)指揮器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 HD-72X型號(hào)指揮器結(jié)構(gòu)圖

指揮器采用超大太陽(yáng)能板資源的循環(huán)利用，完成工作，蓄電池為12 V/20 AH，太陽(yáng)能板的指標(biāo)為18 V/50 W，指揮器不是單獨(dú)進(jìn)行工作的，硬件區(qū)域的傳感器共同協(xié)作，執(zhí)行戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮指令，此器件的調(diào)節(jié)誤差在5%范圍內(nèi)，支持CSTA或者TSAPI接口，采用5路數(shù)字用戶接口板，另外器件的優(yōu)點(diǎn)是在對(duì)任務(wù)進(jìn)行了解后，如果任務(wù)在實(shí)際應(yīng)用中不可實(shí)現(xiàn)，指揮器會(huì)立即將信息反饋到系統(tǒng)的控制中心，指揮器的頻帶范圍為80～1 500 Hz，可以完成A-LAW、IMAADPCM格式的信息編碼和解碼[8-12]。

1.3 信號(hào)接收器

系統(tǒng)硬件區(qū)域信號(hào)接收器的工作任務(wù)是在戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制過(guò)程中，維持戰(zhàn)斗機(jī)之間和戰(zhàn)斗機(jī)與總指揮之間的通信，信號(hào)是通信領(lǐng)域不易受到干擾的一種傳輸介質(zhì)，因此系統(tǒng)的通信采用信號(hào)完成[13-15]。

信號(hào)接收器的外殼采用高密度防水防銹航空鋁合金制作而成，具有自動(dòng)待機(jī)降噪、節(jié)能功能，信號(hào)接收器具有3個(gè)模式，分別為單頻、雙頻、三頻。器件的最大增益為92±2 DB，工作電壓為220 V/AC，有效覆蓋面積為9 000平方米，信號(hào)可以120°完成信號(hào)的全方位發(fā)射，器件內(nèi)置AGC芯片，對(duì)其他頻道的信號(hào)出現(xiàn)混淆，工作的輸出功率為17±5 dbm，頻率為B1/B2/B5/B8，4種檔位。信號(hào)接收器內(nèi)部插入PA和LNA，提高信號(hào)接收器的靈敏性。

1.4 監(jiān)控器

監(jiān)控器的工作主要是對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制操作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，一旦戰(zhàn)斗機(jī)的隊(duì)形變換行為與預(yù)期的執(zhí)行指令不符合后，監(jiān)控器將此行為的所有信息打包發(fā)送到總指揮處，并對(duì)行為檢驗(yàn)復(fù)盤，短時(shí)間內(nèi)降低戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形變換的速度，檢查無(wú)誤后再調(diào)整為正常的速度[16-18]。

監(jiān)控器采用寶氣無(wú)線360°全景監(jiān)控器，監(jiān)控器可以完成錄像回放、全彩夜視、偵測(cè)報(bào)警等功能，電池通過(guò)UPS續(xù)航電源進(jìn)線充電，電池的供應(yīng)為DC 5 V±10%，監(jiān)控器的屏幕設(shè)置為5MP高清畫質(zhì)，500萬(wàn)像素，1 080 P的畫質(zhì)，監(jiān)控器攝像頭采用IP66級(jí)材料，防水防電耐高溫。監(jiān)控器的影像幀率根據(jù)實(shí)際監(jiān)控環(huán)境情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)采用IEEE802.11b，頻率為2.4 GHz，傳輸速率為11 b：1 mbps，監(jiān)控器有效的紅外線監(jiān)控距離為300米。監(jiān)控器電路圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)控器電路圖

2 基于北斗衛(wèi)星通信定位的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)的軟件部分。引入北斗衛(wèi)星通信技術(shù)，通過(guò)集成主動(dòng)式雙向測(cè)距技術(shù)，完成對(duì)空間段、地面段和用戶段三方的位置定位，解決問(wèn)題。定位技術(shù)的原理是以定位物品為中心，向任意方位的兩個(gè)衛(wèi)星發(fā)送相對(duì)位置信號(hào)，衛(wèi)星經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)送信息處理以及數(shù)字高程值的查詢，將北斗信號(hào)解碼處理，計(jì)算出需要定位位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)，然后通過(guò)服務(wù)器傳回到用戶端，完成定位操作。北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的定位精度可以達(dá)到0.2米/秒，授時(shí)精度為10納秒，對(duì)于本文研究的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以實(shí)時(shí)掌握戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形變換過(guò)程中每臺(tái)戰(zhàn)斗機(jī)的地理位置，提高隊(duì)形指揮控制的交互性。

戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制主要的流程是控制戰(zhàn)斗機(jī)的隊(duì)形變換、隊(duì)形保持以及隊(duì)形控制，不同隊(duì)形調(diào)度控制過(guò)程中需要考慮所有戰(zhàn)斗機(jī)的位置，時(shí)刻保證戰(zhàn)斗機(jī)之間的安全距離以及相對(duì)位置，防止戰(zhàn)斗機(jī)出現(xiàn)飛行誤差，為此戰(zhàn)斗機(jī)在隊(duì)形指揮控制過(guò)程中也采用專業(yè)的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行整體隊(duì)形的指揮，完成控制任務(wù)[19-21]。對(duì)于專業(yè)的運(yùn)行行為考慮到戰(zhàn)斗機(jī)的飛行質(zhì)量、地勢(shì)的變化、不考慮地球自轉(zhuǎn)和大氣擾動(dòng)帶來(lái)的影響，首先建立一個(gè)三維立體的坐標(biāo)系，將戰(zhàn)斗機(jī)的飛行運(yùn)行涵括在內(nèi)，戰(zhàn)斗機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程如下所示：

(1)

其中：x、y、z表示戰(zhàn)斗機(jī)的位置變量；V表示速度；φv表示戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形變換飛行的偏轉(zhuǎn)角；θ表示戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形變換飛行的傾斜角。

根據(jù)隊(duì)伍內(nèi)戰(zhàn)斗機(jī)的數(shù)量、地理位置和任務(wù)要求，考慮到戰(zhàn)斗機(jī)的飛行動(dòng)力矩陣和內(nèi)部關(guān)系，得到戰(zhàn)斗機(jī)指揮運(yùn)動(dòng)過(guò)載計(jì)算公式如下所示：

(2)

其中：nx表示戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形變換過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)分量；ΔFd表示隊(duì)形變換過(guò)程中的側(cè)力；m表示戰(zhàn)斗機(jī)的質(zhì)量；表示滾動(dòng)角；

根據(jù)上述對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)飛行模型和運(yùn)動(dòng)載力的分析，構(gòu)建n個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮運(yùn)動(dòng)模型，如下所示：

(3)

其中：dn表示戰(zhàn)斗機(jī)之間相對(duì)的距離；ρ表示戰(zhàn)斗機(jī)的氣動(dòng)系數(shù)；X1表示各個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)的坐標(biāo)；其他未知數(shù)意義同上。

經(jīng)過(guò)以上的分析，完成了基于北斗衛(wèi)星通信定位的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，接下來(lái)總結(jié)此系統(tǒng)的工作具體流程，如圖6所示。

首先將系統(tǒng)的所有功能模塊和器件初始化設(shè)置、完成初檢測(cè)試后，開(kāi)始啟動(dòng)系統(tǒng)。然后系統(tǒng)接收由總控制中心發(fā)送的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制命令，對(duì)此命令進(jìn)行剖析，根據(jù)需要編排戰(zhàn)斗機(jī)的數(shù)量、地形狀況、位置條件等數(shù)據(jù)信息，帶入戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形運(yùn)動(dòng)編隊(duì)模型內(nèi)，計(jì)算生成一套最規(guī)范的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制方案。最后將方案上傳到系統(tǒng)的硬件區(qū)域，集成相應(yīng)的器件，對(duì)所有戰(zhàn)斗機(jī)按照方案進(jìn)行指揮控制操作，在此過(guò)程中，監(jiān)控器實(shí)時(shí)顯示戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形變換狀態(tài)信息，保證指揮控制的無(wú)誤性，如果出現(xiàn)異常，立即上報(bào)，提高問(wèn)題解決的效率，如果無(wú)問(wèn)題，持續(xù)完成操作，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存檔，結(jié)束控制任務(wù)，開(kāi)始下一個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制任務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢驗(yàn)此系統(tǒng)的性能是否有效，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選取基于人工勢(shì)場(chǎng)分析的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)和所設(shè)計(jì)基于北斗衛(wèi)星通信定位的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)共同完成測(cè)試，確保試驗(yàn)的真實(shí)性和科學(xué)性。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)將30個(gè)相同型號(hào)的戰(zhàn)斗機(jī)隨機(jī)分為3組，每組保證10架戰(zhàn)斗機(jī)，然后再設(shè)置3組戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形的編隊(duì)狀態(tài)，分別為“人”形編隊(duì)、“大”形編隊(duì)、“S”形編隊(duì)，在試驗(yàn)進(jìn)行開(kāi)始后，利用一分鐘時(shí)間，完成戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制任務(wù)的選取，并將任務(wù)發(fā)布到3個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，保證試驗(yàn)的公平性。3個(gè)測(cè)試的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)，分別與3組戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行串聯(lián)連接，構(gòu)成一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試的基本框架。本文通過(guò)對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)的研究，明確了該系統(tǒng)性能的基本表現(xiàn)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)確定了戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形完成的匹配度、戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制過(guò)程中的總體收斂誤差和戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制中通信信號(hào)的穩(wěn)定性3個(gè)比較因素。在試驗(yàn)前，工作人員需要進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)處理操作，主要工作為檢查每架戰(zhàn)斗機(jī)的性能、測(cè)試場(chǎng)地、數(shù)據(jù)分析儀、系統(tǒng)是否成功調(diào)用，一切準(zhǔn)備好后，開(kāi)始測(cè)試，本次試驗(yàn)抽取的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮任務(wù)為使每組戰(zhàn)斗機(jī)構(gòu)成“S”形編隊(duì)，下達(dá)任務(wù)后，開(kāi)始試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)全部接收到3組戰(zhàn)斗機(jī)任務(wù)完成響應(yīng)后，結(jié)束試驗(yàn)測(cè)試、整理測(cè)試數(shù)據(jù)、完成測(cè)試分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

以上設(shè)定的對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試流程具有邏輯性，并且滿足戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)工作的條件約束，因此測(cè)試的結(jié)果具有可信度。得到的匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 指揮系統(tǒng)匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果，得出本文設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)的隊(duì)形完成匹配度最高，平均值達(dá)到了99.9%，基于人工勢(shì)場(chǎng)分析的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)的隊(duì)形完成匹配率較低，為96%。根據(jù)計(jì)算機(jī)對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形變換數(shù)據(jù)和系統(tǒng)指揮控制數(shù)據(jù)的分析，戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制過(guò)程中，戰(zhàn)斗機(jī)的整體收斂誤差最高的是基于人工勢(shì)場(chǎng)分析的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)，收斂誤差最低的是本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。因此，根據(jù)以上的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)論，可以得出本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比基于人工勢(shì)場(chǎng)分析的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)的性能好，指揮控制戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形的交互性高。

在此基礎(chǔ)上測(cè)試兩種系統(tǒng)對(duì)3組相同型號(hào)的戰(zhàn)斗機(jī)的隊(duì)形指揮控制耗時(shí)情況，得到對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 基于北斗衛(wèi)星通信定位的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)

如圖7所示，在6次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，人工勢(shì)場(chǎng)分析系統(tǒng)對(duì)“人”形編隊(duì)的隊(duì)形指揮控制耗時(shí)平均值為6.2 s，對(duì)“大”形編隊(duì)的隊(duì)形指揮控制耗時(shí)平均值為5.1 s，對(duì)“S”形編隊(duì)的隊(duì)形指揮控制耗時(shí)平均值為5.5 s；而所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)“人”形編隊(duì)的隊(duì)形指揮控制耗時(shí)平均值為1.7 s，對(duì)“大”形編隊(duì)的隊(duì)形指揮控制耗時(shí)平均值為0.9，對(duì)“S”形編隊(duì)的隊(duì)形指揮控制耗時(shí)平均值為1.2 s。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制耗時(shí)較短，系統(tǒng)運(yùn)行效率較好。

綜上所述，基于北斗衛(wèi)星通信定位的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)的交互性和控制指揮性能最佳，達(dá)到本文預(yù)期設(shè)定的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)基于北斗衛(wèi)星通信定位的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)。硬件分別設(shè)計(jì)了定位器、指揮器、信號(hào)接收器、監(jiān)控器，將系統(tǒng)性能的配置達(dá)到最高，系統(tǒng)軟件分析了北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的核心、戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮運(yùn)動(dòng)編隊(duì)模型以及戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn)流程，使系統(tǒng)具有交互性和操作性，保證戰(zhàn)斗機(jī)變換隊(duì)形過(guò)程中，各種通信信號(hào)的持續(xù)通信，指揮控制指令的百分百傳遞，提高戰(zhàn)斗機(jī)的工作效率。本文設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗機(jī)隊(duì)形指揮控制系統(tǒng)對(duì)于其他類型的飛行器也具有一定的適用性。