北斗衛(wèi)星導航技術(shù)在遙控靶船上的應(yīng)用

程天慶，韓小鋼

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北斗衛(wèi)星導航技術(shù)在遙控靶船上的應(yīng)用

程天慶，韓小鋼

（海軍大連艦艇學院，遼寧 116018）

我國自主研制的北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)（BDS）特有的定位、短報文通信功能，該技術(shù)的應(yīng)用為海軍遙控靶船提供一種可靠性高、工作穩(wěn)定的自動化控制方式，既可實現(xiàn)遙控靶船的精確定位、定向測量，也可實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的實時上傳、遙控指令的下發(fā)，極大地提升了遙控靶船的工作性能。這對我國北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的發(fā)展和海軍武器裝備建設(shè)，具有積極的推動作用，同時對推動遙控靶船的標準化建設(shè)也具有十分重要的意義。

北斗 衛(wèi)星定位 短報文通信 遙控靶船

0 引言

隨著我國海軍建設(shè)的迅猛發(fā)展，艦艇和武器裝備數(shù)量激增，用于海軍武器試驗的靶船建設(shè)工作變得越來越重要。

我國的靶船建設(shè)經(jīng)歷了從固定靶船到遙控靶船的過程。早期為了測試海軍武器的打擊效能，在實彈演習時，主要使用固定靶船充當打擊目標。如今，對靶船的要求越來越高，不僅能夠高速行駛，還能釋放電磁干擾、躲避雷達搜索、誘導來襲導彈偏離航向。我國海軍主要將退役的艦艇通過改裝后作為靶船使用，在靶船上安裝各種傳感器和自動控制設(shè)備，增強遠程遙控能力，實現(xiàn)遠程高度機動靈活的控制。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）是中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)（CNSS），是繼美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，因其具有定位精度高、保密性能強和短報文通信的獨有設(shè)計特點，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)成為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)也越來越廣泛應(yīng)用于電力、建筑、測繪、水利、海洋、交通、應(yīng)急救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域。

北斗衛(wèi)星導航技術(shù)應(yīng)用在遙控靶船上，可以隨時掌握靶船的位置信息，極大提高靶船的可操控性，提高武器裝備的訓練質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

該靶船由退役艦艇改造而成。改造后，新增主控制器、人機觸摸屏（HMI）、北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)（BDS）、通訊控制器、主機控制器、舵機控制器、調(diào)距槳控制器等。總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

主控制器核心單元為可編程控制器（簡稱PLC），PLC功能強大，可靠性高、應(yīng)用靈活，在工業(yè)自動化控制，石油、機械、電力、軍工方面均有廣泛的應(yīng)用。作為控制器的核心部件，PLC接收通訊控制器的數(shù)據(jù)，通過計算，解析相關(guān)協(xié)議及信息，發(fā)出控制指令。同時將靶船的運行及狀態(tài)信息經(jīng)由通訊控制器輸送給指揮船。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主動力裝置結(jié)構(gòu)

原設(shè)計主動力裝置（主機）為雙機、雙軸、雙槳布置，主機型號為8300ZC，四沖程中速大功率增壓直接回行柴油機。柴油機通過艉軸直接驅(qū)動螺旋槳，無齒輪箱和離合器，同時配置了液壓調(diào)距槳系統(tǒng)。根據(jù)該船主動力裝置布置及結(jié)構(gòu)特點，新增設(shè)計控制主機和調(diào)距槳的專用控制設(shè)備，即主機控制器和調(diào)距槳控制器。改造后，該船可以采用無人值守自動控制系統(tǒng)，由駕駛臺主控制器發(fā)車令，操縱柴油機啟動、停車及調(diào)速，同時操縱調(diào)距槳，從而控制船的前進、后退及航速。

1.3 主機（主動力裝置）控制器設(shè)計

針對8300ZC主機的結(jié)構(gòu)、配置和操控方式，其主機控制器主要由主機控制箱、執(zhí)行機構(gòu)、通訊控制器三大部分組成。

控制器是主機無線遙控系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)所有的輸入輸出信號及其指令都由控制器內(nèi)部的PLC進行處理。有2種操作模式，其一是有線模式，其二是無線遙控模式。

有線控制模式時，主機操縱人員通過控制箱上的人機觸摸屏向控制器輸入控制指令。控制器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，控制主機的調(diào)速，在人機觸摸屏上可同步顯示主機的運行狀態(tài)。

無線遙控模式時，控制器通過通訊口與通訊控制器進行通信及命令接受，通訊控制器接受遠程無線指揮中心命令，通過通訊線傳給控制器指令信號，對主機進行控制。控制器將主機運行狀態(tài)及時上傳，遠程遙控人員根據(jù)PC機遙控界面了解船的實際工作狀況。

機旁操縱模式時，主機操作人員通過離合器取消遙控模式，可進行機旁人工操控主機。

執(zhí)行機構(gòu)采用結(jié)構(gòu)緊湊的電動機—蝸桿減速器—手動離合器—傳動機構(gòu)。主機控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主機控制器工作示意圖

1.4 舵機控制器設(shè)計

為了實現(xiàn)遙控靶船遠程轉(zhuǎn)向的功能，根據(jù)電動液壓舵機工作原理及結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計一套舵機控制器，該控制器的主要功能如下：

1）接收主控制器發(fā)來的舵角指令；

2）控制舵機按指令轉(zhuǎn)舵（左30度～0～右30度）；

3）將實際舵角上傳給主控制器；

4）在失聯(lián)條件控制舵機轉(zhuǎn)舵“0”度（保護狀態(tài)一），或左滿舵（保護狀態(tài)二）；

5）手動/遙控轉(zhuǎn)換方便迅速；

6）運行可靠，操作方便。

舵機控制器主要由可編程控制器（PLC）、人機觸摸屏（HMI）和驅(qū)動電路組成，舵機控制原理示意圖如圖3所示，舵機控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3 舵機控制原理示意圖

圖4 舵機控制器結(jié)構(gòu)示意圖

主控制器接收無線遙控轉(zhuǎn)舵指令，主控制器通過RS485通訊口將指令傳給舵機控制器內(nèi)的PLC，PLC對舵角指令和實際舵角進行比較，如不一致，發(fā)出左舵或右舵命令，直到實際舵角與指令舵角一致為止。通訊中斷后，PLC的保護程序?qū)⒍娼强刂圃凇?”度或左滿舵。

1.5 通訊控制器設(shè)計

通訊控制器是遙控靶船控制系統(tǒng)的重要組成部分，承擔與指揮系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)的重要工作，其主要功能由三部分組成，北斗衛(wèi)星導航、無線電臺通訊和北斗短報文通訊。

1.5.1 北斗衛(wèi)星導航

采用低功耗設(shè)計，兩路天線輸入信號獨立跟蹤，支持北斗B1/B2,提供毫米級載波相位觀測值和厘米級 RTK 定位精度，支持芯片級多路徑抑制，領(lǐng)先的瞬時RTK和高精度定向技術(shù)。在本應(yīng)用中，單點平面定位精度可以達到1.5 m，滿足靶船的測試要求。

為適應(yīng)高可靠性、高穩(wěn)定性、適合嚴酷的工作環(huán)境，電路設(shè)計選用高性能的電子元件和SMT技術(shù)。位置信息輸出頻率最高可以達到20 Hz。

為避免靶船在航行中偏離航向，本例采用雙天線設(shè)計，在船體的中心軸線上，船頭和船尾各安裝一個高精度天線，通過饋線將信號傳送至北斗定位模塊。模塊再獲取兩路信號后，根據(jù)兩點形成一條直線的原理，通過解算可達到0.2度的定向精度。

北斗衛(wèi)星導航模塊將定位數(shù)據(jù)和航行數(shù)據(jù)送至主控制器，主控制器根據(jù)既定的路線，實時調(diào)整電動舵機的舵角和調(diào)距漿的航速。

同時，主控制器將定位數(shù)據(jù)和航行數(shù)據(jù)按照一定的頻率發(fā)送指揮船，由指揮船完成跟蹤信息的更新。

1.5.2 北斗衛(wèi)星航向信息的解析

航向是靶船中心軸線上的2個天線形成的基線向量順時針方向與真北的夾角，接收到該條信息后，通訊控制器需要提取航向角和俯仰角信息。

例如其語句格式如下：

#HEADINGA, COM2, 0, 90.0, FINE, 1939, 182038.000, 00000000, 930250813, 0; SOL_ COMPUTED, NARROW_INT, 37.0693, 288.0244, -0.7296, 0.0000, 0.0093, 0.0213, "0", 21, 21, 21, 21, 0, 01, 0, c3*968a3e06

數(shù)據(jù)由信息頭、解算狀態(tài)、位置類型、基線長（0至3000 m）、航向（0至360度）、俯仰（±90degrees）、航向標準偏差、俯仰標準偏差、跟蹤的衛(wèi)星數(shù)量、使用的衛(wèi)星數(shù)量、截止高度角以上的衛(wèi)星數(shù)量、擴展解狀態(tài)、信號掩碼、32位CRC校驗、語句結(jié)束符組成。

上位機軟件通過解析以上語句，獲取靶船的航向信息，并可以實時顯示在電腦屏幕上。同時，指揮船適時發(fā)出控制指令，調(diào)整靶船航向，避免洋流或風浪驅(qū)使靶船偏離既定航向。

1.5.3 北斗衛(wèi)星定位信息的解析

北斗定位的主要數(shù)據(jù)是衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)輸出格式語句GNGGA語句，是NMEA格式中使用最廣的數(shù)據(jù)之一。其語句格式如下：

$GNGGA, 023340.00, 3030.42133177, N, 11420.18534531, E, 1, 19, 0.7, 72.8315, M, -14.4857, M, 00, 0000*6B

數(shù)據(jù)由信息頭、位置對應(yīng)的 UTC 時間（小時/分鐘/秒/十分之一秒）、緯度（DDmm.mm）、緯度方向（N = 北， S = 南）、經(jīng)度（DDDmm. mm）、經(jīng)度方向（E = 東， W = 西）、GNSS 質(zhì)量指示符、使用中的衛(wèi)星數(shù)、水平精度因子、天線高度、天線高度單位（M = 米）、大地水準面差距、大地水準面差距單位（M = 米）、校驗和、語句結(jié)束符組成。

上位機軟件通過解析以上語句，獲取靶船的位置信息，可以實時顯示在電腦屏幕上。同時，調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的一段時間的定位信息，連接形成曲線，從而得到這段時間靶船的運行軌跡。

1.5.4 無線電臺通信

采用傳統(tǒng)的大功率無線電臺，與現(xiàn)場指揮船保持聯(lián)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。具有傳輸數(shù)據(jù)量大、通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠的特點，最大傳輸距離可以達到幾十海里。

1.5.5 北斗短報文通信

作為無線電臺的備選方案，在無線電臺停止工作后，自動啟動北斗短報文通信功能。該部分采用北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)特有的短報文通信功能，實現(xiàn)對靶船的監(jiān)控和遙控命令的下發(fā)，靶船實時數(shù)據(jù)的上傳。

短報文通信具有傳輸距離遠、保密性高、通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠的特點。在北斗導航衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，可實現(xiàn)全天候無障礙通信。配合指揮卡的使用，既可以實現(xiàn)點對點的傳送，也可以實現(xiàn)點對多的傳送。

北斗短報文通信需要遵從一定的衛(wèi)星通訊協(xié)議。在北斗通信控制軟件內(nèi)嵌入“北斗4.0協(xié)議”程序，完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)對接收到的電文數(shù)據(jù)的解析，控制命令的分發(fā)和響應(yīng)；對要發(fā)送的短報文數(shù)據(jù)進行格式化、編排組織和啟動發(fā)送。

2 功能測試

2017年在海上進行某型陸基導彈的測試。

測試人員將靶船駕駛至既定海域，在將靶船進行調(diào)整設(shè)置后，測試人員撤離靶船，靶船進入遙控狀態(tài)。

指揮船通過不斷回傳的定位數(shù)據(jù)，在地圖上查看靶船的位置。通過電腦遠程控制靶船的航速和航向。

圖5 指揮軟件界面

各項功能測試合格后，靶船進入就緒狀態(tài)。由指揮中心通知導彈發(fā)射基地進入準備發(fā)射狀態(tài)。

15:37，在輸入靶船坐標信息后，導彈騰空發(fā)射，向目標海域飛去。

與此同時，指揮船向靶船發(fā)出指令，啟動最大航速，向正南方向“逃竄”。

5分鐘后，導彈到達目標海域上空，完成1次變軌，調(diào)整導彈飛行姿態(tài)。

30秒后，導彈啟動末端制導系統(tǒng)，向靶船飛去。

5秒鐘后，導彈準確擊中靶船，海上傳來巨大的爆炸聲，海面騰起沖天水柱。

指揮船與靶船的通訊中斷。搜救船隨即進入目標海域，打撈靶船上的數(shù)據(jù)記錄儀。

經(jīng)過事后對數(shù)據(jù)記錄儀解密分析，靶船各項功能工作正常，其航速航向以及運行軌跡與雷達測量的結(jié)果完全一致。

3 結(jié)論

本文介紹了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在遙控靶船上的應(yīng)用，對靶船的電控系統(tǒng)（調(diào)距槳裝置和電動舵機裝置）和北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，以及北斗短報文功能做了重點介紹。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是一個國家綜合國力的體現(xiàn)，是大國強國的標志。原北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)總設(shè)計師孫家棟院士說過“北斗系統(tǒng)的重中之重在于應(yīng)用”，應(yīng)用是北斗建設(shè)的出發(fā)點和落腳點。而北斗的應(yīng)用領(lǐng)域只受人們的想象力所限，可以說沒有做不到，只有想不到。它已經(jīng)成為一種嶄露頭角的全球信息基礎(chǔ)設(shè)施，是推動國家經(jīng)濟建設(shè)和實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的強有力支撐。

北斗衛(wèi)星導航技術(shù)在遙控靶船上的推廣應(yīng)用，不僅提高了遙控靶船的戰(zhàn)技術(shù)性能，同時也提升了海軍武器裝備性能和武器裝備試驗效果。對推動了北斗衛(wèi)星導航事業(yè)的發(fā)展，打破GPS在衛(wèi)星定位導航領(lǐng)域的壟斷，具有積極的意義。

該型靶船在海軍部隊的使用，實踐證明，該產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，遠程遙控可靠，操作簡單。這些優(yōu)點使得該型遙控靶船有著廣泛的應(yīng)用前景。

本文的創(chuàng)新點在于將北斗衛(wèi)星導航技術(shù)引入遙控靶船智能控制領(lǐng)域，提高了遙控靶船功能與性能，具有較好的軍事及經(jīng)濟效益。

[1] 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其應(yīng)用推廣的國家意義[J]. 領(lǐng)導文萃, 2017, (7).

[2] 戰(zhàn)興群, 趙雋, 張炎華等. 機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)研制[J]. 船舶工程, 2001, (3): 42-46.

[3] 閆世杰. 船舶信號[M]. 人民交通出版社, 2006: 26-82.

The Design of the Pitch Control System Based on PLC

Cheng Tianqing, Han Xiaogang

（PLA Dalian Naval Academy, Liaoning 116018, China）

P228

A

1003-4862（2018）11-0010-04

2018-08-02

程天慶（1970-），男，高級工程師。研究方向：船舶控制及其自動化。E-mail:hghxg@163.com