精確制導(dǎo)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(dǎo)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(tǒng)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(tài),頻譜利用率較低;在此基礎(chǔ)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(jù)該特性提出了一種利用空閑頻率裝定精確制導(dǎo)火箭彈制導(dǎo)信息的共線裝定方法。測試結(jié)果表明,在不破壞現(xiàn)有火箭彈發(fā)射平臺的基礎(chǔ)上,該方法裝定可靠、改造成本低,滿足精確制導(dǎo)火箭彈裝定需求,裝定速率可以達到6 KB/s。

關(guān)鍵詞:精確制導(dǎo);火箭彈;信息共線裝定

0引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭實踐證明,信息化戰(zhàn)爭有別于傳統(tǒng)作戰(zhàn)的模式,精確制導(dǎo)武器因具有直接命中率高、作戰(zhàn)效能高和智能化程度高等特點已經(jīng)成為影響戰(zhàn)爭進程和結(jié)局的關(guān)鍵因素,傳統(tǒng)彈藥不具有精確制導(dǎo)武器設(shè)備的特點,作戰(zhàn)效能低下,已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場的作戰(zhàn)要求。因此,對傳統(tǒng)彈藥的智能化改造成為了我國武器裝備發(fā)展的熱點問題。

目前,精確制導(dǎo)彈藥在發(fā)射前都需要進行數(shù)據(jù)裝定,其常見的裝定方法有感應(yīng)裝定和線裝定[1-2]。

針對傳統(tǒng)火箭彈的智能化改造,無論采用感應(yīng)裝定或者線裝定技術(shù),都需要對現(xiàn)有的發(fā)射平臺進行改造,增加了改造的成本。

文中通過分析傳統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)的火箭彈都具有點火供電線路,該線路通過傳輸?shù)蛪?、直流信號來實現(xiàn)對火箭彈的發(fā)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(diào)制與共線傳輸

依據(jù)信息通信理論,頻率調(diào)制是實現(xiàn)頻分復(fù)用的重要方法[4]。文中對數(shù)據(jù)基帶信號進行高頻載波調(diào)制后產(chǎn)生高頻載波調(diào)制信號,其系統(tǒng)框圖如圖1(a)所示,數(shù)據(jù)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(diào)制信號的時域波形見圖1(d)。

圖1　高頻載波調(diào)制的系統(tǒng)框圖

將高頻載波調(diào)制信號與火箭彈的電能信號通過如圖2所示的結(jié)構(gòu)進行處理后,可以實現(xiàn)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(diào)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?shù)哪┒?通過隔離電路從耦合信號中恢復(fù)出電能,通過解耦電路從耦合信號中恢復(fù)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(shù)

依據(jù)微波傳輸線理論,當傳輸線的幾何尺寸與電路系統(tǒng)的工作波長可比擬時,應(yīng)當使用分布式參數(shù)進行電路描述[3]。

在分布式參數(shù)電路描述當中,當線纜滿足下列條件:

1)傳輸線上傳輸?shù)男盘枅龅膱鼋Y(jié)構(gòu)是TEM波或者準TEM波;

2)傳輸?shù)膶?dǎo)線是均勻的、平行的;

3)穿過傳輸線任意橫截面的電流代數(shù)和為零;

4)傳輸線內(nèi)導(dǎo)線周圍的介質(zhì)在垂直于導(dǎo)線的任一橫截面內(nèi)假定是均勻的。

則可以建立均勻?qū)w傳輸線模型。

依據(jù)上述理論,建立火箭彈點火供電線路的均勻?qū)w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(shù)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(shù),其具體步驟如下:

1)火箭彈點火供電線路的物理參數(shù)如表1所示。

2)將表1中所示參數(shù)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(shù),其結(jié)果如表2所示。

表1　點火供電線路的物理參數(shù)

表2　點火供電線路分布式參數(shù)(在4 MHz條件下)

在提取出它的信道分布式電路參數(shù)后,借助CST電纜工作室仿真軟件,采用均勻?qū)w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(tǒng),其系統(tǒng)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(tǒng)等效框圖。

圖3　信道傳輸?shù)南到y(tǒng)等效框圖

在火箭彈點火供電線路保持零狀態(tài)情況下,對該線路在100MHz的頻率范圍內(nèi)的衰減特性進行仿真分析,首先產(chǎn)生一個帶寬為100MHz的sa函數(shù)去逼近delta函數(shù),作為信道傳輸衰減的系統(tǒng)輸入激勵,然后觀察信道傳輸衰減的系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)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(yīng)的時域波形,對輸入激勵和輸出響應(yīng)分別做頻譜分析,其結(jié)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(nèi)具有十分平坦的幅頻特性;圖5(b)則為輸出響應(yīng)的頻譜圖,由圖可知,輸出響應(yīng)的頻譜圖在整體上較為滿足單調(diào)下降的趨勢,而在局部上則呈現(xiàn)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(dǎo)的函數(shù),虛部可表示為電感與電容的函數(shù)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(xiàn)出周期性變化,從而使得信道衰減響應(yīng)的頻譜在整體上呈現(xiàn)出單調(diào)遞減的趨勢,而在局部表現(xiàn)為周期性波動的特點。

將圖5中的信道衰減響應(yīng)頻譜在10 MHz的頻帶范圍內(nèi)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(nèi)信道傳輸?shù)牡退p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(tǒng)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(tǒng)等效框圖,其中H(jω,nn)為信道傳輸線路n的自身系統(tǒng)傳輸函數(shù);H(jω,mn)為信道傳輸線路m對信道傳輸線路n的系統(tǒng)串擾傳輸函數(shù)(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(yīng)。

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(yīng)頻譜(10 MHz范圍內(nèi))

圖7　信道間串擾的系統(tǒng)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(nèi)的信道間串擾特性進行仿真分析,首先產(chǎn)生一個帶寬為100MHz的sa函數(shù)去逼近delta函數(shù),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(yīng)結(jié)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(yīng)的時域波形。

對圖8中的時域波形分別做頻譜分析,其結(jié)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(nèi)具有平坦的幅頻特性;圖9(b)為線路串擾的響應(yīng)頻譜,串擾的響應(yīng)幅度在整體上滿足先增后減的趨勢,而在局部上呈現(xiàn)出周期性波動的特點。

1.5小結(jié)

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(nèi)的信號衰減和信號串擾情況。

圖8　信道間串擾的實驗結(jié)果

由圖10分析可知,當數(shù)據(jù)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(nèi)單調(diào)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(nèi)單調(diào)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(diào)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(tǒng)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(yōu)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?shù)挠绊?通過優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)和流程來減弱信號串擾對信息傳輸?shù)母蓴_。

圖10　信道的衰減、串擾仿真結(jié)果(10 MHz大范圍內(nèi))

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(qū)分數(shù)字0和數(shù)字1。IEEE802.4標準協(xié)議規(guī)范中對曼徹斯特碼的編碼規(guī)則進行了詳細約定。目前,曼徹斯特編碼在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代武器系統(tǒng)中常用的1553B串行總線就是基于曼徹斯特碼的[5],局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(jù)相位的跳變來表示數(shù)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(shè)計更簡單。

2.2優(yōu)化的通信網(wǎng)絡(luò)和流程

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

文中所設(shè)計的信息共線裝定方法的數(shù)據(jù)通信拓撲結(jié)構(gòu)如圖11所示,它是一種改進的總線型通信拓撲結(jié)構(gòu)。地面裝定模塊通過該拓撲結(jié)構(gòu)控制火箭彈點火供電線路對火箭彈的供電情況,從而實現(xiàn)對每枚火箭彈總線地址的動態(tài)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?shù)母蓴_,地面裝定模塊向所有火箭彈同時發(fā)送包含有目標總線地址信息的裝定數(shù)據(jù),火箭彈在接收到裝定數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是否為無效數(shù)據(jù)、單管數(shù)據(jù)或者廣播數(shù)據(jù)。每枚火箭彈在完成單管數(shù)據(jù)接收、廣播數(shù)據(jù)接收后完成數(shù)據(jù)的裝定。

圖11　信息共線裝定方法的數(shù)據(jù)通信拓撲結(jié)構(gòu)

在所有火箭彈完成數(shù)據(jù)裝定的條件下,地面裝定模塊向所有火箭彈同時發(fā)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(jié)果分析

依據(jù)上述信息共線裝定方法,文中設(shè)計了一套可以完成40路火箭彈信息裝定的共線裝定系統(tǒng)。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信號時域波形,其結(jié)果如圖12所示,圖12(a)為信道數(shù)據(jù)發(fā)送端的時域波形,圖2(b)為信道數(shù)據(jù)接收端的時域波形。

圖12　信道衰減仿真結(jié)果

2)對火箭彈信息共線裝定系統(tǒng)進行衰減實驗,其中裝定數(shù)據(jù)的信號幅度和高頻載波頻率與步驟1)相同,使用數(shù)字示波器同時觀測點火供電線路兩端的數(shù)據(jù)信號時域波形,其結(jié)果如圖13所示,圖13(a)為數(shù)據(jù)發(fā)送端的時域波形,圖13(b)為數(shù)據(jù)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(jié)果如表4所示,由表4可知,實際實驗測試結(jié)果與系統(tǒng)仿真結(jié)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(jié)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(fā)送裝定數(shù)據(jù),其信號幅度為4.1V,高頻載波頻率為4MHz,線路b保持無數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài),仿真觀察信道b的傳輸串擾情況,其結(jié)果如圖14所示,圖14(a)為信道a的發(fā)送數(shù)據(jù)信號時域波形,圖14(b)為信道b的數(shù)據(jù)串擾信號時域波形。

圖14　傳輸信道間串擾的仿真結(jié)果

2)對火箭彈信息共線裝定系統(tǒng)進行串擾實驗,其實驗條件與步驟1)相同,使用數(shù)字示波器同時觀測線路a和線路b上的數(shù)據(jù)信號時域波形,其結(jié)果如圖15所示,圖15(a)為線路a上的發(fā)送數(shù)據(jù)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(jié)果如表5所示,由表5可知,實際實驗測試結(jié)果與系統(tǒng)仿真結(jié)果之間存在一定誤差,忽略信道間部分電路寄生參數(shù)是產(chǎn)生該誤差的主要原因。在這種合理誤差范圍內(nèi),實驗結(jié)果與仿真結(jié)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(jié)果

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

4結(jié)論

針對傳統(tǒng)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(xiàn)有發(fā)射平臺的條件下,實現(xiàn)了電能和裝定信息在火箭彈點火供電線路上的共線傳輸。基于該方法研制出一款通用共線裝定模塊,測試結(jié)果表明,該模塊裝定可靠、改造成本低,滿足精確制導(dǎo)火箭彈裝定需求,裝定速率可以達到6KB/s。

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*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(shù)、磁隔離技術(shù)。

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