測量信息仿真設(shè)計與實現(xiàn)*

吳曉琳

(92941部隊　葫蘆島　125000)

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測量信息仿真設(shè)計與實現(xiàn)*

吳曉琳

(92941部隊葫蘆島125000)

摘要雷達和GPS是外測的重要測量手段,論文通過建立數(shù)學(xué)模型和軟件編制,完成了雷達和GPS相關(guān)信息的仿真,利用數(shù)字仿真技術(shù),模擬外測設(shè)備的測量數(shù)據(jù),從而滿足日益繁重的試驗任務(wù)和科研需要。

關(guān)鍵詞仿真; 外測; 脈沖雷達; GPS

Design and Implementation of Measurement Information Simulation

WU Xiaolin

(No. 92941 Troops of PLA, Huludao125000)

AbstractRadar and GPS are important measurements of exterior. In this paper, the simulation of radar and GPS information is accomplished through mathematical modelling and software programming. With the use of digital simulation technology, measurement data of tracking equipment are simulated so as to meet the increasingly heavy test tasks and research needs.

Key Wordssimulation, external trajectory, pulse radar, GPS

Class NumberTP391.9

1引言

仿真是基于模型的活動,對于任意一項系統(tǒng)的仿真研究都是一項較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程,測控系統(tǒng)仿真的設(shè)計也是如此,測控網(wǎng)所涵蓋的內(nèi)容決定了仿真設(shè)計的復(fù)雜性。在對測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測控信息流程進行分析,實現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上,本文對外測信息仿真的設(shè)計思想及模型實現(xiàn)方法進行討論。

本文采用的是純數(shù)學(xué)仿真方法實現(xiàn)的軟件形式,其特點是利用數(shù)學(xué)模型進行數(shù)學(xué)仿真,產(chǎn)生各種模擬測量數(shù)據(jù),因此在仿真計算部分,建立適合的數(shù)學(xué)模型成為仿真軟件實現(xiàn)所需解決的重要問題,仿真計算時要涉及以下兩方面內(nèi)容。

1) 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

理論彈道是外測信息仿真計算的基礎(chǔ)。理論彈道數(shù)據(jù)一般是由型號研制部門所提供,但這些彈道數(shù)據(jù)并不是等間隔連續(xù)的彈道點,因此在裝訂彈道數(shù)據(jù)文件時,要挑出所需的彈道點數(shù),通常在火箭特征點附近取的彈道點稍密一些,而在其他時段彈道可根據(jù)需要適當(dāng)取彈道點,在進行仿真計算時,首先要對理論彈道進行插值計算,得出等間隔、嚴格的全彈道數(shù)據(jù)。

2) 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

測控系統(tǒng)中涉及多個坐標(biāo)系統(tǒng)和多種表達形式及其轉(zhuǎn)換,地球物理參數(shù)采用DX-2坐標(biāo)系統(tǒng)的參數(shù),地面測量采用測量坐標(biāo)系,基地間彈道信息采用的則是地心坐標(biāo)系,地面遙、外測數(shù)據(jù)的實時處理彈道參數(shù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到發(fā)射坐標(biāo)系中。因此,仿真計算時要涉及到不同坐標(biāo)系之間相互轉(zhuǎn)換的問題。

2測量信息仿真

在測控系統(tǒng)中,外測設(shè)備多種多樣,根據(jù)輸入中心計算機的測量信息,主要可以歸結(jié)為三類。

第二類,測量信息為地心坐標(biāo)系的彈道(T,x,y,z,vx,vy,vz),如GPS等設(shè)備。

第三類,測量信息為發(fā)射坐標(biāo)系的彈道,主要設(shè)備為團站級的計算機。在實際飛行試驗任務(wù)中,這些測量元素均來源于各測量站對飛行目標(biāo)跟蹤和測量的結(jié)果。測控中心計算機有了上述測量元素,經(jīng)數(shù)據(jù)處理,就能計算出任何飛行目標(biāo)的彈道或軌道參數(shù)(T,x,y,z,vx,vy,vz)。但在平時聯(lián)調(diào)、聯(lián)試以及訓(xùn)練時,這些測量元素只能依靠仿真系統(tǒng)對各設(shè)備的模擬仿真得到。

3脈沖雷達信息模擬

單脈沖雷達是大型精密跟蹤雷達,主要用于對導(dǎo)彈的飛行彈道進行跟蹤測量,獲得定位數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù),為指揮控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)提供實時信息,并為事后處理系統(tǒng)提供其記錄信息,雷達采用振幅和差式單脈沖體制。

3.1工作原理

3.2仿真測量元素計算模型

式中:L為大地經(jīng)度,B為大地緯度,h為高程;ND為P點的卯酉圈曲率半徑,由上式得到

上式中aD為參考橢球長半徑,eD為參考橢球第一偏心率。然后,進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,將發(fā)射坐標(biāo)系的彈道轉(zhuǎn)換為地心空間直角坐標(biāo)系下。發(fā)射坐標(biāo)系的定義:它是以發(fā)射點的鉛垂線、水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的垂線坐標(biāo)系,以O(shè)f-XcfYcfZcf表示。原點Of位于導(dǎo)彈質(zhì)心在發(fā)射臺平面的投影點;Ycf軸與發(fā)射點的鉛垂線一致,指向地球外:Xcf軸與Ycf軸垂直,由原點指向發(fā)射瞄準(zhǔn)方向,Xcf軸與發(fā)射點天文子午面的夾角即瞄準(zhǔn)方向的天文方位角。Zcf軸與Xcf、Ycf構(gòu)成右手關(guān)系。已知發(fā)射點的大地坐標(biāo),天文經(jīng)度、緯度和發(fā)射方向的天文方位角即可進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,公式如下:

由地心空間直角坐標(biāo)系下的彈道,可以通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算得出測站坐標(biāo)系下的彈道。測量坐標(biāo)系Oc-XcYcZc。定義以測量設(shè)備的回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點,Xc軸在過坐標(biāo)原點的水平面內(nèi)指向天文北;Yc與過坐標(biāo)原點的鉛垂線相重合,向上為正;Zc軸在坐標(biāo)原點的水平面內(nèi)與Xc、Yc軸構(gòu)成右手系。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下:

3.3測速原理

3.4仿真步驟

系統(tǒng)軟件具體的仿真步驟如下:

1) 調(diào)用函數(shù)進行發(fā)射系到連續(xù)波測量系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;

2) 進行相關(guān)參數(shù)計算:

R=(x2+y2+z2)1/2

Rp=[(x-xp)2+(y-yp)2+(z-zp)2]1/2

Rq=[(x-xq)2+(y-yq)2+(z-zq)2]1/2

S=2*R;r1=R-Rp;r2=R-Rq

其中Aij-1為將發(fā)射系下速度參數(shù)轉(zhuǎn)換為距離參數(shù)的3×3系數(shù)矩陣;

3) 計算得到的測量元素進行量綱轉(zhuǎn)換;

4) 將計算好的參數(shù)按照格式進行組幀處理;

5) 填入發(fā)送緩沖區(qū),數(shù)據(jù)打包。

4GPS彈道模擬

從GPS工作原理來看,利用它來跟蹤飛行器有諸多優(yōu)點。首先GPS能在全球范圍、24小時提供高精度七維信息,因而象導(dǎo)彈這樣的試驗可不受發(fā)射場區(qū)、射向、射程、發(fā)射窗口及測量站布局的限制,可以在任何地區(qū)任何時間進行試驗。由于GPS是一個無線電定位測速系統(tǒng),所以不受天氣條件的影響。GPS用戶是被動接收信號而完成定位測速的,所以用戶可以無限多。GPS的具體測量方案分兩大類:彈載接收機方案和轉(zhuǎn)發(fā)跟蹤方案。

1) 彈載接收機方案

在被跟蹤目標(biāo)上裝載一臺能適應(yīng)目標(biāo)速度與加速度的全功能多通道接收機,由它接收四顆以上GPS衛(wèi)星的信號,完成實時定位測速。目標(biāo)上接收機得到的目標(biāo)位置和速度數(shù)據(jù)經(jīng)遙測線路送到中心計算機。這種方案是當(dāng)前測控系統(tǒng)中經(jīng)常使用的。

2) 轉(zhuǎn)發(fā)跟蹤方案

采用這種方案時,在目標(biāo)上裝載轉(zhuǎn)發(fā)器,將目標(biāo)上天線接收的GPS衛(wèi)星信號加以變頻或數(shù)字化,通過遙測線路轉(zhuǎn)發(fā)到地面站,在遙測站作實時處理,所得彈道可供實時安全使用。

對GPS設(shè)備信息的仿真需要模擬的是地心系下的彈道參數(shù)。對其處理的要點是利用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換將發(fā)射坐標(biāo)系下的彈道轉(zhuǎn)為地心坐標(biāo)系下的彈道,發(fā)射系彈道轉(zhuǎn)地心系彈道的計算方法如下:

其中a0、b0、c0為發(fā)射點在地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

其中

φ11=-sinλsina-cosλsinφcosaφ12=cosλcosφ

φ13=-sinλcosa+cosλsinφsina

φ21=cosλsina-sinλsinφcosa

φ22=sinλcosφφ23=cosλcosa+sinλsinφsina

φ31=cosφcosaφ32=sinφφ33=-cosφsina

φ、λ、a分別為發(fā)射點天文經(jīng)度、緯度、射擊方位角。通過上述計算得到GPS設(shè)備發(fā)送給中心計算機的仿真信息,然后對各參數(shù)進行量綱復(fù)原和組幀處理,然后將數(shù)據(jù)幀打入數(shù)據(jù)包中。

GNSS是俄羅斯建立類似美國GPS的衛(wèi)星式全球定位系統(tǒng),其工作原理、基本組成與GPS相似,但具體實現(xiàn)方案稍有差別,數(shù)字仿真系統(tǒng)對其的模擬方法與GPS相似。

5結(jié)語

本文介紹了外測仿真系統(tǒng)主要的設(shè)計思想及實現(xiàn)方法,同時對外測設(shè)備的測量原理進行了簡單介紹。由于試驗測控網(wǎng)涉及范圍十分廣泛,因此仿真軟件在設(shè)計時要全面考慮測控中心計算機所有處理、交換的信息,同時,由于整個測控系統(tǒng)的復(fù)雜性及多變性,因此對于數(shù)字仿真來講,為提高數(shù)據(jù)處理軟件的可靠性,還必須考慮測控設(shè)備信息異常及目標(biāo)飛行故障等情況。只有這樣,建立的模型才更接近于實際狀況,為安控預(yù)演提供更為可靠、接近于實際的仿真飛行數(shù)據(jù)。

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中圖分類號TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.022

作者簡介:吳曉琳,女,工程師,研究方向:數(shù)據(jù)處理。

收稿日期:2015年9月8日,修回日期:2015年10月24日