電磁干擾環境下的引信彈道數據遙測方法

安曉紅，王鵬釗，顧 強

(中北大學機電工程學院，山西 太原 030051)

0 引言

遙測技術是一種區別于硬線測試技術和存儲測試技術的參數獲取方式[1]，它是通過彈上發射裝置進行被測參數的采集、調制和發射，通過地面接收裝置進行解調、記錄和處理的一種數據遙測手段[2-3]。

雖然我國引信遙測技術的應用研究起步晚于國外，但至今也已發展較為成熟[4]。國內研制的8318無線電遙測系統，成功測得全彈道兩種彈丸的轉速曲線和某引信壓電陶瓷電壓建立曲線[5]；文獻[6]中的小型遙測裝置，成功獲取了膛內和解爆拋撒及彈丸飛行各階段引信部位的三軸加速度信號，但都更適用于測試彈丸出炮口后的參數，炮膛發射過程中復雜的電磁環境會干擾無線電信號的傳輸，可能出現數據丟包情況。

本文針對此問題，提出一種以SX1280無線收發模塊為基礎，STM32f407ZGT6最小系統板為控制核心的引信數據近程遙測方法，不僅能有效獲取引信膛內數據，而且出炮口后外彈道數據也能實時獲取，為科研人員分析引信失效故障原因和引信設計改進，提供一種獲取數據的參考方法。

1 遙測方案確定

遙測系統由彈載發射裝置和地面接收裝置組成，彈載發射裝置由傳感器、單片機、SX1280模塊、發射天線、電源穩定供電模塊和上位機組成。其中上位機僅在系統調試階段使用，系統實際應用中無需上位機連接；地面接收端由地面接收天線、SX1280模塊、單片機和上位機組成。遙測系統組成如圖1所示。

圖1 遙測系統總體組成框圖Fig.1 Block diagram of the overall composition of the telemetry system

1.1 SX1280模塊調制方式選定

SX1280模塊為工業級標準設計[7]，采用半雙工方式，工作在2.4～2.45 GHz頻段，具有傳輸速率較高的SPI通信協議，為本文方法研究提供了基礎保障。該模塊內部集成三種調制方式，其調制特點如表1所示，使用結合了前向糾錯技術和卷積編解碼技術的FLRC調制調制解調器，選用具有最大發射功率的2G4M27S射頻模塊進行方法驗證。

表1 三種調制方式及其特點Tab.1 Three modulation methods and their characteristics

不同數據傳輸速率匹配不同調制帶寬，并不是所有帶寬都可以與傳輸速率自由組合，原始傳輸速率與帶寬組合如表2所示，實際傳輸速率為原始傳輸速率與CR的乘積。

表2 傳輸速率BR和帶寬BW的組合Tab.2 Combination of transmission rate BR and bandwidth

FLRC調制解調器通過分別設置CR=1/2、CR=3/4和CR=1控制前向糾錯編碼率。為得到較大的有效傳輸速率，通過軟件代碼設置CR=1，Rb=1.3 Mb/s，BW=1.2 MHz進行方法驗證。

1.2 單片機選定

出于成本低、操作方便和開發板集成度高考慮，選用具有168 MHz主頻、1 024 KB Flash的STM32F407ZGT6最小系統板[8]為核心控制單元。

1.3 收發天線選定

由于SX1280模塊上集成了PCB天線和IPEX天線接口，所以可靈活選用天線。

彈載發射端天線：由于板載PCB天線信號會被彈體遮蔽，故使用微帶貼片天線。將其安裝于彈頭位置，并加裝天線罩以承受發射時炮膛內高溫、高過載等復雜環境。最終選用工作在700～2 700 MHz頻段，增益為10 DBI，阻抗為50 Ω，駐波比小于1.8的FPC天線[9]。

地面接收端天線：地面接收端的天線不受空間限制，可使用滿足阻抗匹配要求的任意尺寸天線。本著天線增益越大，傳輸距離越遠考慮，選用工作在2 400～2 500 MHz頻段，增益為30 DBI，駐波比小于1.8，阻抗為50 Ω的2.4 G天線[10]。

1.4 傳感器選定

選用六軸MPU6050模塊。該模塊整合三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器，同時帶有溫度傳感器[11]，滿足該方法驗證要求。

1.5 供電模塊選定

出于實驗室內和室外場地遙測方法測試需求考慮，選用由3節18650鋰電池組成的12 V鋰電池組[12]，其具有體積小、移動方便的特點，便于在室外場合移動。

2 遙測方法

該遙測系統由彈載發射裝置和地面接收裝置組成，需實現在發射信號屏蔽的情況下有效接收引信測試數據，當炮彈發射出炮口一段距離后，將信號屏蔽時的測試數據回傳到地面接收端，同時不能干擾實時數據的同步接收。基于上述遙測方法，本文遙測系統工作流程如圖2所示。

圖2 遙測系統流程圖Fig.2 Flow chart of telemetry system

彈載發射端：當射頻信號被屏蔽，不能檢測到接收端發出的標志位[1]=8時，將測試數據循環記錄50個周期，一次性存儲在Flash中，Flash閃存可以起到數據斷電不丟失的作用；恢復供電或恢復信號接收，檢測到標志位[1]=8時，停止數據存入Flash操作，進行Flash讀取操作，每個數據周期Flash存儲的數據以36位為一組進行讀取，在實時測試數據之后，添加Flash數據標志位55，并將36位讀取數據附加其后，一起發送出去，數據位數情況如表1中位0至位63所示；當Flash中讀取的數據全部發送完成后，不再進行Flash相關操作，彈載發射端恢復到實時發送測試數據狀態，實時測試數據后不再添加標志位，數據位數分布情況如表1中位0至位26所示。

表1 64位測試數據分布情況Tab.1 Distribution of 64 bit test data

地面接收端：設備上電初始化完成，地面接收端與彈載發射端數據標志位匹配成功之后，首先進行循環接收檢測，當檢測到來自彈載發射端的發送控制位[0]=1時，地面接收端發送數據標志位[1]=8，之后進行數據長度位檢測，檢測到接收到的數據長度位[1]=27或64時，串口打印接收到的所有數據。

所有參數均以整數位顯示，如為負值，在前置1；為正值，在前置0。[0]位：設置1表示發送數據，設置2表示應答成功。[1]位：設置數據長度為27或64。[2]位：從1開始周期計數。[3][4][5]位：溫度值，精度為0.1，占據三個長度，例如溫度24.3 ℃對應[3]=0、[4]=24、[5]=3。三軸歐拉角度各占據三個長度，精度為0.1，例如俯仰角-1.1，橫滾角12.2，對應[6]=1，[7]=1，[8]=1,[9]=0，[10]=12，[11]=2。三軸加速度和三軸陀螺儀各占據兩個長度，精度為整數。

3 遙測方法測試

使用鐵盒將彈載發射端的天線蓋上，模擬發射端射頻信號被屏蔽的環境，在室外人員稀少的空曠環境中進行測試。串口打印均使用sscom5串口調試軟件進行，下面僅截取部分狀態圖進行介紹。

3.1 遙測系統工作狀態驗證

3.1.1 彈載發射端

當彈載發射端的射頻信號被屏蔽，接收端不能有效接收到射頻信號時，發射端進行測試數據循環記錄操作，原始數據如圖3所示，當記錄到第50組時，50組數據一次性存入Flash中，Flash存入數據如圖4所示。

圖3 原始數據Fig.3 Raw data

圖4 存入Flash數據Fig.4 Store Flash data

當接收端接收到射頻信號并匹配成功時，發射裝置不再進行Flash數據存入操作，只進行Flash數據讀取操作，每個數據周期依次從Flash中讀取36位，如圖5所示。

圖5 Flash中讀取36位數據Fig.5 Read 36 bit data in Flash

當Flash數據全部讀取完成后，繼續實時發送測試數據，如圖6所示。

圖6 實時測試數據Fig.6 Real-time test data

3.1.2 地面接收端

當接收端與發射端射頻信號通信成功，數據位數匹配成功時，接收端最先接收到的是帶有Flash讀取數據的數據包，如圖7所示。

圖7 Flash讀取數據接收圖Fig.7 Flash read data receiving diagram

當Flash存儲數據全部讀取并發送完成后，恢復到測試數據實時接收狀態，如圖8所示。

圖8 實時測試數據接收圖Fig.8 Real-time test data receiving diagram

綜上所示，經過驗證和數據對比，接收端接收到的測試數據與發送端發送數據均一一對應，準確無誤，該方法可有效解決炮彈引信數據靶場遙測時，接收端因炮口復雜電磁干擾導致數據包不能及時接收的問題。

3.2 誤包率測試

誤包率為接收端丟失數據包數量與接收端應接收數據包總數量的比值。接收端丟失數據包數量等于發送端發送數據包總數減去接收端接收到的數據包總數，接收端應接收總數據包數等于發送端發送數據包總數。

因SX1280模塊發送和接收數據以8位傳輸，最大計數至255，所以在彈載發送端設置一個16位的數據包計數值，使其與8位計數值同步計數。地面接收端接收到的每組數據包的第3位為數據包數，將其與發送端的數據包同步計數值對照，可得出16位的數據包數值，該值為發送端發送數據包總數，也稱接收端應接收數據包總數量。

通過軟件判決的方式，將數據包數與上一組數據包數進行對比，如果本組數據包數不等于上一組數據包數加1，則出現接收漏包或重復接收現象，在此基礎上，如果本組數據包數等于上一組數據包數，記為數據包重復接收一次；如果本組數據包數與上一組數據包數差值為2，則出現接收漏包現象，如果差值為3，則連續漏包兩組。接收端漏包總數除以接收端16位計數的應接收總數據包數，得出遙測系統誤包率。

發送端16位同步數如圖9所示，接收端漏包總數和重復總數如圖10所示。

圖9 發送端16位同步數Fig.9 16 bit synchronization data at the sender

圖10 接收端漏包總數和重復總數Fig.10 The total number of missed packets and the total number of duplicates at the receiving end

如圖10中接收數據包數為第244組，對應圖9中發射端16位同步計數值500，得出接收端漏包總數為0個，重復總數為3個，即漏包率為0，重復率為0.6%。

3.3 傳輸距離測試

設置CR=1，分別在傳輸速率為2.6、2.08、1.3和1.04 Mb/s條件下進行測試，測試誤碼率在1%以下為最優通信距離，誤碼率在10%以下為最遠通信距離。

發射端在前方人為距離移動，發射端和接收端數據傳輸距離使用百度衛星地圖記錄兩端最遠傳輸距離。在相同環境下，分別進行四種傳輸速率條件下的數十次測試，最終得出傳輸距離和誤碼率關系，測試結果如圖11所示。

圖11 不同傳輸速率下傳輸距離和誤碼率關系Fig.11 The relationship between transmission distance and bit error rate under different transmission rates

測試結果表明：2.6 Mb/s傳輸速率時最優傳輸距離接近320 m，最遠傳輸距離接近570 m；2.08 Mb/s傳輸速率時最優傳輸距離接近410 m，最遠傳輸距離接近640 m；1.3 Mb/s傳輸速率時最優傳輸距離接近510 m，最遠傳輸距離接近900 m；1.04 Mb/s時最優傳輸距離接近590 m，最遠傳輸距離接近1 000 m。

綜上可知，設置有效傳輸速率為1.3 Mb/s，地面接收裝置每700 m左右分段布置時，可有效可靠地接收彈載引信測試數據，達到最佳測試效果。

4 結論

本文提出電磁干擾環境下的引信數據遙測方法。該方法從軟件層面進行設計，依次對炮彈出炮口的射頻信號被屏蔽，接收端不能有效接收射頻信號階段，出炮口一段距離，恢復射頻信號通信階段，Flash存儲數據全部讀取完成階段，進行了一系列遙測系統工作邏輯設計和實現。試驗測試結果表明，該遙測方法可有效解決炮口電磁干擾環境下射頻信號被屏蔽時，引信彈道數據不能完整有效接收的問題。對炮彈引信數據靶場遙測系統的功能進行了拓展，為電磁干擾環境下獲取引信彈道數據提供了有效方法。