精確制導火箭彈信息共線裝定方法*

張　峰,胡峻銘,屈　操,許洪偉

(中國科學院自動化研究所,北京　100190)

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精確制導火箭彈信息共線裝定方法*

張峰,胡峻銘,屈操,許洪偉

(中國科學院自動化研究所,北京100190)

摘要:傳統火箭彈點火供電線路的信號頻譜中僅有低頻段用于電能傳輸,其余頻段均處于空閑狀態,頻譜利用率較低;在此基礎之上,通過建立火箭彈點火供電線路的等效電路模型,獲得了該線路的信道衰減和串擾特性,并依據該特性提出了一種利用空閑頻率裝定精確制導火箭彈制導信息的共線裝定方法。測試結果表明,在不破壞現有火箭彈發射平臺的基礎上,該方法裝定可靠、改造成本低,滿足精確制導火箭彈裝定需求,裝定速率可以達到6 KB/s。

關鍵詞:精確制導;火箭彈;信息共線裝定

0引言

現代戰爭實踐證明,信息化戰爭有別于傳統作戰的模式,精確制導武器因具有直接命中率高、作戰效能高和智能化程度高等特點已經成為影響戰爭進程和結局的關鍵因素,傳統彈藥不具有精確制導武器設備的特點,作戰效能低下,已經無法適應現代戰場的作戰要求。因此,對傳統彈藥的智能化改造成為了我國武器裝備發展的熱點問題。

目前,精確制導彈藥在發射前都需要進行數據裝定,其常見的裝定方法有感應裝定和線裝定[1-2]。

針對傳統火箭彈的智能化改造,無論采用感應裝定或者線裝定技術,都需要對現有的發射平臺進行改造,增加了改造的成本。

文中通過分析傳統火箭彈點火供電線路的信道傳輸特性,提出了一種火箭彈信息共線裝定方法,該方法實現了電能和裝定信息在點火供電線路上的共線傳輸。

1共線信道傳輸分析

傳統的火箭彈都具有點火供電線路,該線路通過傳輸低壓、直流信號來實現對火箭彈的發射點火控制。從頻譜分析的角度而言,它的頻譜利用率較低,可利用其空閑頻段進行火箭彈裝定信息的傳輸。

1.1高頻載波調制與共線傳輸

依據信息通信理論,頻率調制是實現頻分復用的重要方法[4]。文中對數據基帶信號進行高頻載波調制后產生高頻載波調制信號,其系統框圖如圖1(a)所示,數據基帶信號的時域波形見圖1(b),高頻載波的時域波形見圖1(c),高頻載波調制信號的時域波形見圖1(d)。

圖1　高頻載波調制的系統框圖

將高頻載波調制信號與火箭彈的電能信號通過如圖2所示的結構進行處理后,可以實現火箭彈的電能與裝定信息的共線傳輸。首先,對電能進行隔離,防止高頻載波調制信號對電能回路進行干擾,然后將裝定信號與電能信號進行耦合,完成耦合后的信號通過點火供電線路信道進行傳輸;在信道傳輸的末端,通過隔離電路從耦合信號中恢復出電能,通過解耦電路從耦合信號中恢復出裝定信號。

圖2　信息共線傳輸框圖

1.2信道傳輸模型及分布式參數

依據微波傳輸線理論,當傳輸線的幾何尺寸與電路系統的工作波長可比擬時,應當使用分布式參數進行電路描述[3]。

在分布式參數電路描述當中,當線纜滿足下列條件:

1)傳輸線上傳輸的信號場的場結構是TEM波或者準TEM波;

2)傳輸的導線是均勻的、平行的;

3)穿過傳輸線任意橫截面的電流代數和為零;

4)傳輸線內導線周圍的介質在垂直于導線的任一橫截面內假定是均勻的。

則可以建立均勻導體傳輸線模型。

依據上述理論,建立火箭彈點火供電線路的均勻導體傳輸線模型,其電報方程為:

(1)

式中:R、L、G、C是傳輸線單位長度下的電路分布式參數矩陣。

通過CST電纜工作室軟件提取出火箭彈點火供電線路單位長度下的分布參數,其具體步驟如下:

1)火箭彈點火供電線路的物理參數如表1所示。

2)將表1中所示參數輸入到CST電纜工作室軟件中,以1cm為單位提取出它的分布式電路參數,其結果如表2所示。

表1　點火供電線路的物理參數

表2　點火供電線路分布式參數(在4 MHz條件下)

在提取出它的信道分布式電路參數后,借助CST電纜工作室仿真軟件,采用均勻導體傳輸線模型對該線路的信道衰減特性和信道間串擾特性進行仿真分析。

1.3信道衰減特性分析

火箭彈點火供電線路是一種典型的線性、時不變、因果系統,其系統等效框圖如圖3所示,圖3(a)為信道傳輸線電路圖,圖3(b)為信道傳輸線分布式等效電路圖,圖3(c)為信道傳輸線系統等效框圖。

圖3　信道傳輸的系統等效框圖

在火箭彈點火供電線路保持零狀態情況下,對該線路在100MHz的頻率范圍內的衰減特性進行仿真分析,首先產生一個帶寬為100MHz的sa函數去逼近delta函數,作為信道傳輸衰減的系統輸入激勵,然后觀察信道傳輸衰減的系統響應結果如圖4所示。

圖4(a)為輸入激勵的時域波形,圖4(b)為輸出響應的時域波形,對輸入激勵和輸出響應分別做頻譜分析,其結果如圖5所示。

圖4　信道輸入和輸出信號時域波形

由圖5可知,圖5(a)為輸入激勵的頻譜圖,由圖可知,其在100MHz的頻率范圍內具有十分平坦的幅頻特性;圖5(b)則為輸出響應的頻譜圖,由圖可知,輸出響應的頻譜圖在整體上較為滿足單調下降的趨勢,而在局部上則呈現出周期性波動的特點,其原因在于:

首先,由圖3(b)可知,信道的傳輸阻抗可以表示為:

(2)

其次,通過式(2)可知,信道傳輸阻抗的實部可表示為電阻與電導的函數,虛部可表示為電感與電容的函數與角頻率的乘積,則信道傳輸阻抗的模和相位角可表示為式(3)和式(4)所示:

(3)

(4)

最后,通過分析式(3)和式(4)可知,當頻率逐漸升高時,信道傳輸阻抗的模會逐漸增大,相位角呈現出周期性變化,從而使得信道衰減響應的頻譜在整體上呈現出單調遞減的趨勢,而在局部表現為周期性波動的特點。

將圖5中的信道衰減響應頻譜在10 MHz的頻帶范圍內進行局部展開,如圖6所示,分析圖6可得到在10 MHz頻率范圍內信道傳輸的低衰減窗口,如表3所示。

表3　信道低衰減窗口

1.4信道間串擾特性分析

火箭彈點火供電線路的信道間串擾的系統模型,如圖7所示,圖7(a)為兩條信道傳輸線電路圖,圖7(b)為兩條信道傳輸線的分布式等效電路圖,圖7(c)為兩條信道傳輸線的系統等效框圖,其中H(jω,nn)為信道傳輸線路n的自身系統傳輸函數;H(jω,mn)為信道傳輸線路m對信道傳輸線路n的系統串擾傳輸函數(m≠n),x(t,n)為信道傳輸線路n的輸入激勵;y(t,n)為信道傳輸線路n的輸出響應。

圖5　信道的輸入、輸出頻譜分析

圖6　信道傳輸衰減的輸出響應頻譜(10 MHz范圍內)

圖7　信道間串擾的系統框圖

取任意兩條火箭彈點火供電線路,對其在100MHz頻率范圍內的信道間串擾特性進行仿真分析,首先產生一個帶寬為100MHz的sa函數去逼近delta函數,作為線路1的輸入激勵,保持線路2無輸入激勵,然后觀察線路2的輸出響應結果如圖8所示。

圖8(a)為線路1的輸入激勵的時域波形,圖8(b)為線路2的串擾輸出響應的時域波形。

對圖8中的時域波形分別做頻譜分析,其結果如圖9所示,其中圖9(a)為輸入激勵的頻譜,由圖可知,輸入激勵在100MHz頻帶范圍內具有平坦的幅頻特性;圖9(b)為線路串擾的響應頻譜,串擾的響應幅度在整體上滿足先增后減的趨勢,而在局部上呈現出周期性波動的特點。

1.5小結

通過對信道的衰減特性和串擾特性的分析可知,不同頻率的信號在信道傳輸中的衰減和串擾情況都不相同。圖10示出了長度為15m的火箭彈點火供電線路在10MHz的頻率范圍內的信號衰減和信號串擾情況。

圖8　信道間串擾的實驗結果

由圖10分析可知,當數據傳輸信號在長度為15m的信道上傳輸時,信道的衰減特性為:在1～2MHz范圍內單調遞減,當輸入信號頻率為2MHz時,其信號幅度衰減為輸入信號幅度的90%,在3～5MHz范圍內單調遞增,當輸入信號頻率為5MHz時,其信號幅度衰減為輸入信號幅度的93%;信道的串擾特性為:在1～10MHz范圍單調遞增,當輸入信號頻率為10MHz時,其串擾幅度是輸入信號幅度的13%。綜合考慮信道衰減和信道串擾兩方面特性后,文中選擇4MHz頻率作為高頻載波頻率。

圖9　信道間的輸入、串擾頻譜分析

2信息共線裝定方法

通過分析傳統火箭彈點火供電線路的信道特性可知,不同頻率的信號在信道上的衰減和串擾幅度都不相同,且無論如何優化選擇信號的載波頻率都無法徹底消除信道間的串擾。文中提出的信息共線裝定方法,主要通過采用相位編碼來降低信號衰減對信息傳輸的影響,通過優化通信網絡和流程來減弱信號串擾對信息傳輸的干擾。

圖10　信道的衰減、串擾仿真結果(10 MHz大范圍內)

2.1曼徹斯特碼

曼徹斯特編碼也被稱作為相位編碼,即使用電壓跳變的相位不同來區分數字0和數字1。IEEE802.4標準協議規范中對曼徹斯特碼的編碼規則進行了詳細約定。目前,曼徹斯特編碼在數據傳輸領域得到了廣泛應用?，F代武器系統中常用的1553B串行總線就是基于曼徹斯特碼的[5],局域網數據傳輸的數據編碼也采用的是曼徹斯特碼。

文中的信息共線裝定方法采用曼徹斯特碼的原因在于:曼徹斯特碼作為一種相位編碼方式,主要是依據相位的跳變來表示數字信號,因此,即便裝定信號在信道傳輸中衰減較大,但只要解碼器能夠正確識別出信號的跳變就可以保證裝定信號的解碼正確;此外,曼徹斯特碼自身隱含同步時鐘,使得信號解碼器設計更簡單。

2.2優化的通信網絡和流程

依據火箭彈的信息裝定需求,信息共線裝定方法中應當包含地面裝定模塊和彈載裝定模塊;信息裝定類型應當包含有單管數據和廣播數據。單管數據是火箭彈的私有數據,大致包括有目標位置信息、工況信息等;廣播數據是火箭彈的公共數據,大致包括星歷數據、氣象數據等。

文中所設計的信息共線裝定方法的數據通信拓撲結構如圖11所示,它是一種改進的總線型通信拓撲結構。地面裝定模塊通過該拓撲結構控制火箭彈點火供電線路對火箭彈的供電情況,從而實現對每枚火箭彈總線地址的動態分配,保證了每枚火箭彈都具有唯一的總線地址。

在每枚火箭彈都具有唯一的總線地址的條件下,為了進一步降低信道間串擾對裝定信息傳輸的干擾,地面裝定模塊向所有火箭彈同時發送包含有目標總線地址信息的裝定數據,火箭彈在接收到裝定數據后,通過判定目標總線地址信息與自身總線地址信息是否一致來判定當前裝定數據是否為無效數據、單管數據或者廣播數據。每枚火箭彈在完成單管數據接收、廣播數據接收后完成數據的裝定。

圖11　信息共線裝定方法的數據通信拓撲結構

在所有火箭彈完成數據裝定的條件下,地面裝定模塊向所有火箭彈同時發送包含有目標總線地址信息的點火命令,火箭彈在接收到點火命令后,通過判定目標總線地址信息與自身總線地址信息是否一致來確定是否進行點火起飛。

3實驗結果分析

依據上述信息共線裝定方法,文中設計了一套可以完成40路火箭彈信息裝定的共線裝定系統。以下將主要通過模型仿真與實驗驗證的方法來分別分析火箭彈點火供電線路的信道衰減和信道間串擾情況。

3.1信道衰減測試與仿真分析

分析火箭彈點火供電線路的信道衰減情況的實驗步驟如下所述:

1)使用CST電纜工作室軟件對共線裝定信道的衰減進行仿真,裝定數據的信號幅度為2.1V,高頻載波頻率為4MHz,仿真觀察信道兩端的數據信號時域波形,其結果如圖12所示,圖12(a)為信道數據發送端的時域波形,圖2(b)為信道數據接收端的時域波形。

圖12　信道衰減仿真結果

2)對火箭彈信息共線裝定系統進行衰減實驗,其中裝定數據的信號幅度和高頻載波頻率與步驟1)相同,使用數字示波器同時觀測點火供電線路兩端的數據信號時域波形,其結果如圖13所示,圖13(a)為數據發送端的時域波形,圖13(b)為數據接收端的時域波形。

圖13　信道衰減實驗測試

對圖12和圖13進行對比分析,其結果如表4所示,由表4可知,實際實驗測試結果與系統仿真結果有較好的一致性,從而驗證了信息共線裝定方法中對于信道的低衰減頻率的選擇的有效性。

表4　信道衰減實驗測試與仿真結果

3.2信道間串擾測試與仿真分析

分析火箭彈點火供電線路間的信道串擾情況的實驗步驟如下所述:

1)使用CST電纜工作室軟件對共線裝定信道間的串擾進行仿真,在CST中平行建立信道a和信道b,對信道a發送裝定數據,其信號幅度為4.1V,高頻載波頻率為4MHz,線路b保持無數據發送狀態,仿真觀察信道b的傳輸串擾情況,其結果如圖14所示,圖14(a)為信道a的發送數據信號時域波形,圖14(b)為信道b的數據串擾信號時域波形。

圖14　傳輸信道間串擾的仿真結果

2)對火箭彈信息共線裝定系統進行串擾實驗,其實驗條件與步驟1)相同,使用數字示波器同時觀測線路a和線路b上的數據信號時域波形,其結果如圖15所示,圖15(a)為線路a上的發送數據信號的時域波形,圖15(b)為線路b上的接收串擾信號的時域波形。

圖15　信道間串擾實驗測試

對圖14和圖15進行對比分析,其結果如表5所示,由表5可知,實際實驗測試結果與系統仿真結果之間存在一定誤差,忽略信道間部分電路寄生參數是產生該誤差的主要原因。在這種合理誤差范圍內,實驗結果與仿真結果仍具有較好的一致性趨勢,從而驗證了信息共線裝定方法中對于信道間的低串擾頻率選擇的有效性。

表5　信道間串擾實驗測試與仿真結果

綜上所述,文中所設計的40路火箭彈信息共線裝定系統的實驗測試結果與CST電纜工作室軟件仿真結果具有較好的一致性。此外,現場測試結果表明,在信息裝定速率為6KB/s的情況下,該系統可以在60s內完成40路火箭彈的信息裝定,具有高效性和高可靠性。

4結論

針對傳統火箭彈的智能化改造,文中通過分析火箭彈點火供電線路的信道衰減和串擾特性,提出了一種火箭彈信息共線裝定方法。該方法在不破壞現有發射平臺的條件下,實現了電能和裝定信息在火箭彈點火供電線路上的共線傳輸?；谠摲椒ㄑ兄瞥鲆豢钔ㄓ霉簿€裝定模塊,測試結果表明,該模塊裝定可靠、改造成本低,滿足精確制導火箭彈裝定需求,裝定速率可以達到6KB/s。

參考文獻:

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[5]周青山, 王玨, 譚輝. 基于曼徹斯特碼的通信協議設計及實現 [J]. 計算機應用, 2011, 31(8): 2065-2068.

*收稿日期:2015-01-07

作者簡介:張峰(1977-),男,山西運城人,高級工程師,碩士,研究方向:智能彈藥裝定技術、磁隔離技術。

中圖分類號:TJ41

文獻標志碼:A

InformationSettingbyCollineationonPrecision-guidedRockets

ZHANGFeng,HUJunming,QUCao,XUHongwei

(InstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

Abstract:Signal spectrum in rocket’s power line was analyzed and found that it had only low-frequency component that used to provide rocket’s power, other frequency components were idle, and utilization of frequency spectrum was low. On this basis, the distributed circuit models of rocket’s power line were established, the attenuation and crosstalk characteristics of it were obtained through analyzing the circuit model, the method of information setting by collineation on the precision-guided rockets using the idle frequency was proposed. The results of filed test show that this method could achieve reliable setting, low cost of renovation without changing existing rockets launching platform, which could meet the needs of precision-guided rockets setter, the rate of its information setting can reach 6 KB/s.

Keywords:precision guidance; rockets; information setting by collineation