基于北斗陣列的靶船遙控遙測系統(tǒng)

王愛民，何四華

(中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島125000)

0 引言

在某種特定條件下，經(jīng)常需要對海上無人職守的靶船進行遙測遙控。但隨著作用距離的變大以及與海岸高山、島嶼的距離越來越遠，依靠現(xiàn)有的超短波遙測遙控設備并利用海岸高山或2個海上目標之間的遙測遙控方式，無法滿足超視距遙測遙控的使用要求。如采用中繼站進行接力通信方式，也會因海上條件惡劣或遠離岸以及中繼平臺的使用條件限制或費用過高而難以實現(xiàn)。為滿足使用需求，在對幾種通信方式優(yōu)缺點分析的基礎上，提出了一種基于北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(簡稱北斗系統(tǒng))的靶船遙控遙測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1.1 總體設計思路

靶船作為無人值守平臺，對遙測遙控設備的可靠性、實時性都有較高的要求，同時，作為被打擊目標又要求使用方便、造價低廉，而靶船與控靶端距離的加大及靶船自身航向和姿態(tài)的不穩(wěn)定性又對遙控遙測設備提出了更高要求。超短波體制的遙測遙控設備一直作為靶船遙測遙控的首選工作方式。但當進行超視距遙測遙控時，這種設備則需要依靠中繼接力傳輸才能滿足距離要求，而使用中繼方式會受到中繼平臺的制約。目前海上試驗常用的中繼平臺主要是有人飛機、無人飛機和飛艇等。由于試驗頻繁、留空時間長、升空準備時間長和程序復雜等原因，使得這幾種空中平臺的使用受到試驗組織困難，航程、載荷和高度不夠等方面的限制。使用短波通信方式雖可解決傳輸距離問題，但由于短波在遠距離通信時主要依靠天波傳播，而天空電離層高度和密度容易受晝夜、季節(jié)和氣候等因素影響，所以短波通信的穩(wěn)定性差，噪聲較大。傳輸過程中路徑衰耗、時間延遲、大氣噪聲、多路徑效應和電離層衰落等因素都會造成信號的弱化和畸變，影響傳輸效果。衛(wèi)星通信雖然通信距離和效果、實時性等方面都較好地滿足使用要求，但其設備購置使用費用較高，同時，接收天線尺寸較大且需要固定方向，這既可能造成靶船雷達散射特性的變化，也會增加靶船上設備加裝難度和成本。

綜合分析幾種通信方式的作用距離、實時性、帶寬和使用成本，選用北斗系統(tǒng)作為靶船的超視距傳輸方式較為適宜。北斗系統(tǒng)具備一定區(qū)域內(nèi)快速定位、簡短通信和精密授時的功能［1］，而且通信距離遠、數(shù)據(jù)保密性好、抗干擾能力強［2］，非常適合于在靶船遙控遙測系統(tǒng)中使用。同時其定位功能還可解決靶船的位置測量問題。

北斗系統(tǒng)的簡短通信功能是遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N有效手段，靶船的遙控遙測主要利用其簡短通信功能，通過短消息的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，收發(fā)雙方事先約定好通信協(xié)議，對照通信協(xié)議解析有用信息。但北斗系統(tǒng)的通信頻度受到用戶等級的限制，其中3類用戶的通信頻度約為1次/10 min，二類用戶的通信頻度約為1次/60 s，數(shù)據(jù)傳輸速率較低。盡管一類用戶的通信頻度可以達到1次/s，但是受到用戶容量的限制，使用對象十分有限。為了克服這一缺陷，設計了一種基于北斗用戶機陣列的靶船遙控遙測系統(tǒng)，利用多個低等級北斗用戶機組成陣列，循環(huán)進行數(shù)據(jù)傳遞，可有效提高通信頻度和數(shù)據(jù)傳輸速率。

北斗系統(tǒng)的簡短通信功能允許用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。一般用戶一次可傳輸36個漢字，經(jīng)核準的用戶可利用連續(xù)傳送方式，最多可傳送120個漢字。每個用戶終端都有專用識別碼，用戶終端隨機響應某一時刻經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的詢問信號，響應信號和詢問信號的幀結(jié)構(gòu)中都有通信信息段［3］。

1.2 靶船遙控遙測系統(tǒng)設計

系統(tǒng)由靶船設備單元和遠程監(jiān)控單元2個部分組成，靶船單元布設在靶船上，遠程監(jiān)控單元布設在地面。

系統(tǒng)的工作過程是:當靶船設備單元需要與遠程監(jiān)控單元相互通信時，其中一方通過用戶終端將對方地址碼和通信電文隨響應信號經(jīng)過衛(wèi)星發(fā)送到地面控制中心;地面控制中心收到該響應信號，譯出目的終端地址和通信電文，將通信電文加載到目的用戶終端能夠識別的通信碼信息中，隨詢問信號一同發(fā)射出去。這樣，對應的用戶終端便可得到通信信息，而非對應地址碼的終端解不出通信段內(nèi)容［4］。整個過程只需1 s左右即可完成。

1.2.1 靶船設備單元

靶船設備單元由1個數(shù)據(jù)采集編碼器和1個北斗用戶機陣列(N個北斗用戶機)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 靶船設備單元結(jié)構(gòu)

工作流程如下:

①數(shù)據(jù)采集。通過數(shù)據(jù)采集編碼器的傳感器，采集包括靶船位置、航向、姿態(tài)和設備工作狀態(tài)等參數(shù)。

②數(shù)據(jù)編碼。通過數(shù)據(jù)采集編碼器將采集到的遙測數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式來進行組織，按照北斗用戶機的通用接口協(xié)議進行編碼［5，6］。

③程序控制信息發(fā)送。按照程序設定的時間順序?qū)?shù)據(jù)通過由N個北斗用戶機與天線組成的陣列發(fā)送給地面監(jiān)控中心。北斗用戶機陣列的時序控制是設計的關鍵，以二類用戶為例，它的通信頻度約為1次/60 s，如果由N個北斗用戶機組成陣列，最理想的情況是每個北斗用戶機在60 s的通信周期內(nèi)都能夠發(fā)送1次通信報文，而且相互之間的時間間隔應該相等。通過這種方式，既可以充分發(fā)揮每個北斗用戶機的效能，又能保證通信時序的均勻性，這里按照圖2所示的程序進行時序控制。北斗用戶機陣列通信時序控制流程如圖2所示。

圖2 北斗用戶機陣列通信時序控制流程

④遙控指令處理。遙控指令的接收通過中斷程序完成，根據(jù)接收數(shù)據(jù)判斷報文的正確性，拋棄不正確的數(shù)據(jù)報文。接收到正確的數(shù)據(jù)報文后，置位需要數(shù)據(jù)處理標志。數(shù)據(jù)處理的任務就是解讀收到的數(shù)據(jù)報文，提取命令和參數(shù)，完成相應操作，然后組織返回的數(shù)據(jù)報文，并發(fā)送到遠程監(jiān)控單元。

1.2.2 遠程監(jiān)控單元

遠程監(jiān)控單元由1個北斗指揮機和1個顯控終端組成，北斗指揮機與靶船設備單元的N臺北斗用戶機組成指揮網(wǎng)絡，用于監(jiān)聽下屬用戶發(fā)送的遙測信息，并向下屬用戶發(fā)播指令。顯控終端實時顯示遙測信息和遙控指令發(fā)送情況。

除具有普通型用戶機所有功能外，北斗指揮機還能夠播發(fā)通信信息和接收中心控制系統(tǒng)發(fā)給所屬用戶的定位通信信息，從而鑒別、指揮下屬其他北斗用戶機。同時，還可與下屬北斗用戶機及中心站進行通信，接收下屬用戶的報文，并向下屬用戶發(fā)播指令。當用戶定位或者通信的時候，指揮機能夠同時監(jiān)聽到這些信息，在廣域位置報告和指揮控制系統(tǒng)管理軟件上可以及時監(jiān)控每一個下屬單元的位置及通信內(nèi)容。與電子地圖相結(jié)合后，可在電子地圖上顯示出態(tài)勢形勢，必要時可將態(tài)勢圖傳給相關用戶，增強單元間的協(xié)同能力。

遠程監(jiān)控單元的工作流程為:

①遙測信息接收。監(jiān)聽下屬北斗用戶機的定位或者通信信息。

②遙控信息發(fā)送。根據(jù)用戶需求，按照北斗用戶機的通用接口協(xié)議，對下屬用戶發(fā)送遙控指令。

③綜合監(jiān)控。解析數(shù)據(jù)，通過軟件界面提供給用戶。

2 組裝調(diào)試與性能分析

根據(jù)總體設計和設備選型進行原理設計，完成了數(shù)據(jù)采集編碼器的制作，并按各部分功能進行了調(diào)試與室內(nèi)檢測，達到了預期效果。隨后進行了海上實際使用條件下通信有效作用距離、可靠性和實時性以及環(huán)境條件適應能力考核試驗。試驗時，將遠程監(jiān)控單元和靶船設備單元分別按實際使用方式放置在陸地和靶船上，二者的距離遠大于視距并有明顯的遮擋物。經(jīng)整機測試、聯(lián)試表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，控制指令發(fā)送、接收正常、數(shù)據(jù)的信息量和實時性均滿足試驗使用要求。

系統(tǒng)在靶船的實際使用可以看出，相比較于傳統(tǒng)的遙控遙測系統(tǒng)而言，具有構(gòu)成簡單、易于組網(wǎng)、無需通視、抗干擾能力強、碼間干擾小、價格低廉、可靠性高和應用靈活等優(yōu)點，可推廣應用到其他需要超視距遙控遙測的領域。

3 結(jié)束語

北斗系統(tǒng)具有簡短通信功能，信號覆蓋范圍大，不受通信系統(tǒng)特性的制約，在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中使用十分廣泛。提出的基于北斗用戶機陣列的遙控遙測使用方法，是對北斗系統(tǒng)使用的新嘗試，有效解決了低等級北斗用戶通信頻度低的問題，可成倍提高通信系統(tǒng)的工作效率，在遠程遙控遙測設備研制中具有廣泛的應用前景。

［1］劉傳潤.北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的功能原理與前景展望［J］.中國水運，2008(1):165－166.

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［3］吳允平，蔡聲鎮(zhèn)，劉華松，等.航標遙測遙控信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.計算機工程，2006(12):253－254.

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［5］沈 鵬，徐景碩，張建忠.北斗導航系統(tǒng)及其在無人機上的應用［J］.航空電子技術，2007(2):5－8.

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