基于GPS的定高引信系統設計

杜壯波，鮑愛達，馬游春，張澤宇

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051)

0 引言

在現代戰爭中，云爆彈因其獨特的作用原理和作戰效能在戰場上得到了廣泛的應用[1-2]。云爆彈的效能與其爆破高度有著十分緊密的聯系，在適宜的高度爆破可以使其殺傷效能達到最大[3]。隨著武器技術的發展，現在的云爆彈簡化了彈體結構，增大了燃料的有效載荷量，成為無需加裝降落傘的高著速類型[5]。因此亟需一種能快速精準測定云爆彈高度的引信系統。目前常用的定高方式包括氣壓計、時間引信、激光測高和無線電測高等方法，其中氣壓計因其體積、工作原理等原因常用于飛機、無人機上；以延時為原理的時間引信，由于其定高精度低、靈活性差等缺點，無法達到現代戰爭的要求；激光測高和無線電測高作為兩種成熟的測高方式，具有精確度高、抗干擾強的優點，但由于其成本較高，常用于彈道導彈[6]。GPS是美國第二代衛星導航系統,因其能提供實時高精度的三維位置、三維速度和時間信息，在武器引信中得以廣泛應用。

受限于GPS技術更新率慢，數據間隔時間長，高度信息在彈丸高速下落時間距大，從而導致彈丸實際動作高度與理論動作高度誤差變大。本文將GPS技術與高度補償算法相結合，提出了一種適用于低速投放高著速的云爆彈定高引信。該引信具有高精度、高可靠性的特點，同時在成本、功耗、體積方面也滿足該型號云爆彈的要求[7-8]。

1 引信系統硬件構成

定高引信系統主要由GPS模塊、FPGA主控模塊、無線收發模塊和電源管理模塊組成。系統總體設計如圖1所示。

圖1 引信系統設計框圖

其中彈丸的高度信息由GPS模塊獲取，FPGA將來自于GPS的數據解析并進行高度判定，在到達目標高度后將該高度相對應的命令發送給配電器，由配電器控制彈丸執行各個高度階段的動作。無線收發模塊用于和外部計算機通信，引信系統可以通過無線信號接收指令，完成地面高度配置、復位等功能，也可以將定高過程中產生的數據發送給計算機。

1.1 主控模塊

定高爆破對引信系統的實時性以及高度精度要求很高，單片機的性能較低無法作為系統的主控芯片。FPGA具有工作頻率高、集成度高及硬件設計可軟件化的特點，用它作為定高引信系統的主控芯片進行數據的處理和運算，相比于DSP，可以實現更高的測試精度并大幅降低制造成本[9]。本系統選用Xilinx公司推出的Spartan6系列XC6SLX9芯片。該芯片內部有9 152個邏輯單元，內核電源為1.0 V或1.2 V，帶有集成內存控制其的800 Mb/s DDR3。其性能和較低的功耗都可以滿足本系統的設計要求。

1.2 GPS模塊

GPS模塊選用的是U-BLOX公司的NEO-M8T芯片。該芯片具有世界領先的GNSS定位技術，集成了最輕且節能的實時運動技術(RTK)模塊，低占空比運行最大限度地降低了功耗[10]。除此以外其速度精度為0.05 m/s，在本引信系統的定高補償算法中，速度信息要參與補償高度的計算，高精度的速度數據有利于定高的精度。在動態性能方面，該芯片可以在速度低于500 m/s和加速度4 g以下的環境中保持衛星鎖定，穩定提供數據，可以搭載于低速投放的彈丸上。該芯片在具備優秀性能的同時其成本也很低，具有很高的性價比。

1.3 無線收發模塊

引信系統通過射頻天線與外部計算機進行通信，無線射頻收發芯片采用SI4463，該芯片是一款高性能低電流的無線收發器，采用TTL 電平輸出，兼容3.3 V與5 V的I/O口電壓，其工作頻段為119～1 050 MHz，最大傳輸距離為5 km，最大發射功率為+20 dB，發射電流18 mA，接收電流10 mA，高的靈敏度和發射功率能彌補低成本或小尺寸天線帶來的性能不足[11]。FPGA與SI4463之間通過4線SPI總線進行連接，連接示意圖如圖2所示。

圖2 SI4463連接示意圖

1.4 配電器連接電路

配電器位于彈體中，它負責接收定高引信發送的命令，控制彈丸執行動作。彈體內還有其它的電氣部件，它們之間通信所形成的電纜網錯綜復雜。在引信系統與配電器連接和通信時應注意不能與其它電氣部分互相干擾。因此接口芯片選擇使用帶有信號和電源隔離功能的ADM2682E芯片。ADM2682E的傳輸協議為RS422，RS422總線具有雙全工的特性，發送與接收數據之間互不干擾，數據傳輸采用差分信號，抗干擾能力強，傳輸距離遠。該芯片具有隔離式的RS422接口其內部集成了一個5 kV rms隔離DC/DC電源，省去了外部DC/DC隔離模塊，同時該芯片還具備±15 kV靜電防護(ESD)功能，安全性高，使用簡便。

在發送數據時，在FPGA輸入端施加到TXD和DE引腳的數據以邏輯地(GND1)為參考，在信號接收和輸出端，由芯片內部的隔離DC/DC轉換器產生輸入電源VISOIN和輸出電源VISOUT，此端以隔離地(GND2)為參考。在輸入電源VISOIN和輸出電源VISOUT與隔離地之間至少需要并聯兩個電容，其中較小的電容使用極低電感的陶瓷電容用于噪聲抑制，另一個大電容用于紋波抑制和適當的調整。較小的電容靠近器件，電容兩端到引腳的走線總長小于10 mm。

引信系統與配電器間電纜長度較長，為使信號順利傳遞且避免信號的反射和回波，須在信號上添加終端匹配電阻，使傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態。終端匹配電阻值取決于電纜的阻抗特性，本系統差分信號線使用屏蔽雙絞線，終端電阻選用阻值為100 Ω的電阻。配電器連接如圖3所示。

圖3 配電器連接示意圖

2 引信系統程序設計

2.1 主程序設計

GPS模塊與FPGA通過UBX協議進行通信。UBX 協議是U-BLOX公司GPS模塊的專有協議，該協議通過使用8位二進制數據、2階段消息標識符及低開銷的校驗算法來完成與主機的通信[12-13]。UBX協議包結構如圖4所示。

圖4 UBX協議包結構

本系統采用的具體UBX協議類型為UBX-NAV-PVT，該協議以“0xB5、0x62”作為幀頭，一幀數據為100字節，其中對于引信系統比較關鍵的信息是第42字節到第45字節的海拔高度信息和第62字節到65字節的垂直方向速度信息。

當FPGA接收到第65字節的數據后，系統就得到了彈丸的海拔高度信息與垂直方向速度信息，此時將內部標志信號Receiveflag置1，運行彈丸當前地面高度計算。如果計算得到彈丸距地高度小于3 500 m，且垂直速度大于50 m/s，則表明彈丸正處于高速下落狀態且其高度已經進入動作區域，這時系統便進入判高程序，否則便說明彈丸未進入投放狀態或未進入預定動作區域，無需進行定高。在判高程序中，在到達目標高度后，FPGA只向配電器發送一次相應的命令，所以只有當高度到達動作高度且該動作命令未發出時，FPGA才會向配電器發出動作命令。無論是否進入判高程序，系統都會把此過程中產生的數據如GPS解析數據、命令信號、配電器應答信號等通過無線收發模塊發送給外部計算機。系統流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2.2 高度補償算法

本系統采用的GPS模塊的更新速率為10 Hz，也就是每0.1 s采集一次高度、速度等信息給主控芯片。如圖6所示，在實際彈丸下落一段時間后，彈丸的速度會越來越快，這將導致每兩次傳遞的高度差值將達幾十米，如果動作高度落在GPS連續兩次傳遞的高度之間，那么引信系統在執行該動作時的高度誤差也會很大。因此本文設計了一種補償算法，補償兩次信息傳遞過程中的高度信息。

圖6 補償算法示意圖

該算法是將彈丸在GPS兩次傳遞信息的間隔中所作的運動近似為勻速直線運動。FPGA接收到一次GPS模塊傳來的數據后，以該次數據的高度信息為基準，垂直方向速度信息作為勻速直線運動的參數，每過0.01 s，就計算一次當前高度值，直到接收到下一次GPS模塊的數據。當前高度的計算如式(1)所示：

hn=hr-hg-v×t

(1)

式中,hn為當前高度，hr為GPS海拔高度信息，hg為地面海拔高度，v為GPS垂直方向速度信息，t為時間。

通過這種補償算法就將原本每秒10次的高度判定擴展到了100次，提高了彈丸下落過程中的高度信息采樣率，從而極大提高了彈丸定高爆破的精度。程序如圖7所示。

圖7 定高補償算法流程圖

3 系統測試

3.1 系統測試方案

衛星導航信號模擬器可以當作衛星導航的模擬信號源，通過模擬GPS衛星導航定位系統的導航信號，來滿足各類GPS導航接收終端的測試需求[14]。

將模擬彈道數據輸入GPS信號模擬器。模擬器根據彈道產生相應的定位信號，引信系統接收此定位信號并完成系統測試。實驗中采用相同的彈道數據進行一組對比測試，其一不啟用補償算法，另一次啟用補償算法。對比引信系統在此過程中發送的數據來確定兩次定高的精度。模擬彈道如圖8所示。

圖8 模擬彈道圖

3.2 系統測試結果

通過讀取引信系統的無線信號，兩次測試得出的彈道曲線與理論彈道曲線基本重合。由于FPGA芯片在接收解算數據時需要消耗時間，所以引信得到的高度要比模擬彈道的高度低一些。隨著時間增加，彈丸速度變快，高度的誤差也隨之增大。高度誤差隨著時間和的關系如圖9所示。

圖9 誤差與時間關系圖

在判定目標高度方面，GPS在連續兩次傳送定位信息的高度間距也會隨著速度的增大而增大。在未啟用補償算法的情況下，連續兩次高度間距將逐漸增大達到幾十米的級別。在啟用補償算法的情況下，如圖10所示，連續兩次判定高度的差值縮小了10倍。

圖10 高度間距與時間關系圖

兩次測試中動作執行高度與目標高度的誤差如表1所示。

測試結果表明在未啟用補償算法的情況下，由于高度信息間距大，高度誤差十分不穩定。如果GPS采集的高度信息接近目標高度則誤差相對較小，但若目標高度在GPS兩次傳遞的高度之間，則誤差會很大，甚至達到幾十米。在啟用補償算法的情況下，高度誤差可以穩定保持在5 m的范圍內。補償算法的加入使引信的定高精度大幅增加，基本可以滿足該型號云爆彈的精度要求。

表1 動作執行高度與目標高度誤差表 m

3.3 影響定高精度的因素分析

由引信系統的工作原理和定高算法模型可知，影響定高精度的因素主要有以下幾個方面。

多徑效應引起的誤差。在實際使用過程中，因多徑效應產生的影響，GPS的定位信息會產生誤差。多徑效應是由于衛星信號經過不同路徑傳播后抵達接收端彼此相互干擾造成的誤差。衛星信號經由地面或地物反射和因大氣電離層和對流層散射是多徑效應誤差的兩大來源，其中又以地面反射為主。引信系統的使用環境為高空，因此來自地面反射的多徑效應十分微弱，而大氣傳播介質散射對系統影響有限，對定高精度誤差較小，在可接受的范圍內。

地形因素引起的誤差。GPS獲取的高度信息為海拔高度，所以要獲取彈丸距地面的高度就需要事先將目標點區域的海拔高度配置進引信系統。配置給引信系統的目標點的海拔高度信息與實際的海拔高度會存在誤差，該誤差與目標點區域的地形有關，如果目標點區域地勢沒有劇烈變化，則對系統定高精度不會有太大影響。

引信系統的誤差。系統本身產生的誤差來源有兩方面：1)系統主控芯片運行程序所消耗的時間會使彈丸執行動作時的高度低于真實高度。該誤差與彈丸下落時間以及彈丸速度呈線性關系，通過優化判高算法可減小此誤差；2)判定高度與動作高度之間的誤差，定高補償算法極大地減小了此誤差，但該誤差依然存在。可通過定高補償算法的思路繼續提高判高的采樣率來減小該誤差，但需要更換算力更強的主控芯片來實現，會提升系統的成本。

4 結束語

本文提出了一種基于GPS的低速投放高著速的云爆彈定高引信系統，針對GPS技術更新速率慢、高度信息間隔大導致判定高度誤差大的問題，設計了一種高度信息補償算法。經測試該引信系統定高精度顯著提高，可以滿足實戰要求；此外，該定高引信系統還有低成本、低功耗、等優點，有望應用于投放類型為空投的云爆彈等需要特定高度引爆的特種彈藥上。