基于新的定位方法的空投技術(shù)研究*

魏 民，李小波，黃中瑞，唐文龍（電子工程學院，合肥 230037）

基于新的定位方法的空投技術(shù)研究*

魏 民，李小波，黃中瑞，唐文龍
（電子工程學院，合肥 230037）

針對空投技術(shù)的定位問題，提出了一種新的定位方法。首先，在空投目標區(qū)域放置發(fā)射機，發(fā)射天線在3個方向形成彼此相交的波束，發(fā)射機與3個波束的交點構(gòu)成中心線，3個波束關(guān)于中心線對稱。其次，發(fā)射天線在3個方向發(fā)射相同功率，不同頻率的信號。最后，載荷上的接收機實時接收信號，經(jīng)傅里葉變換得到信號頻譜圖。3個信號功率相等時載荷位于中心線上，保持現(xiàn)有飛行方向；3個信號功率不等時，根據(jù)偏離中心線的位置對飛行方向進行調(diào)整，確保載荷能夠準確到達目標區(qū)域。該方法具有較高的定位精度，能夠適應復雜電磁環(huán)境。

精確空投，中心線，重合度，航跡調(diào)整

0 引言

空投是指利用降落傘將人員和物資等投送到指定區(qū)域的一種技術(shù)，快捷和便于跨越復雜地形是其最突出的優(yōu)點。在常規(guī)戰(zhàn)爭中空投技術(shù)經(jīng)常被用作部隊投送及彈藥裝備物資補給及部署的手段［1］；在冰雪災害和“5·12”地震的救援中空投技術(shù)也發(fā)揮了重要的作用［2］。在傳統(tǒng)的空投過程中，載荷離開運輸機后無法對其運動進行操控只能使其在外力作用下自由降落，這導致其具有以下缺點。①空投系統(tǒng)受氣象環(huán)境影響大，使得空投實際著陸點與預計目標點可能存在較大的偏差；②投放精度受空投高度和空投區(qū)域風場的影響比較大，載荷的落地點散布較大；③空投運輸機不得不飛臨空投區(qū)域很近的地方進行空投，這增加了空投飛機自身的危險性。

針對傳統(tǒng)空投的不足，文獻［3］提出了精確空投的概念，精確空投將導航制導和先進控制技術(shù)融入空投系統(tǒng)，即載荷離開運輸機后可控制運動軌跡，實現(xiàn)高精度空投。文獻［4-5］介紹了精確空投系統(tǒng)的優(yōu)勢，并對系統(tǒng)上裝置的發(fā)展趨勢進行了研究。文獻［6-10］介紹了國外先進的精確空投技術(shù)，包括AGAS可承受制導空投系統(tǒng)，GDS普通投送系統(tǒng)，“尖叫者”快遞投送系統(tǒng)等等，這些精確空投系統(tǒng)都采用了GPS定位系統(tǒng)進行導航，精度較高，但存在兩點不足。1）在比較復雜的電磁環(huán)境下，接收不到足夠的GPS信號以實現(xiàn)精確定位；2）由于GPS完全由美國政府控制和運營，一旦國家出現(xiàn)緊急情況，美國政府可以關(guān)閉GPS，僅供美國軍方使用。

針對使用GPS精確空投系統(tǒng)存在的不足，本文提出了一種新的定位方法并應用到空投技術(shù)。該方法在保持較高精度的同時，克服基于GPS定位的不足，能夠在復雜的電磁環(huán)境下工作，應用范圍較廣。

1 基本原理

1.1 新的定位方法的模型

基本思想:首先，在空投目標區(qū)域放置一個發(fā)射機，發(fā)射天線在3個不同方向形成彼此相交的波束，發(fā)射機與3個波束的交點構(gòu)成中心線，3個波束關(guān)于中心線對稱。其次，發(fā)射天線在3個方向發(fā)射相同功率，不同頻率的信號。最后，載荷上的接收機實時接收信號，經(jīng)傅里葉變換得到信號頻譜圖。3個信號功率相等時載荷位于中心線上，保持現(xiàn)有飛行方向；3個信號功率不等時，根據(jù)偏離中心線的位置對飛行方向進行調(diào)整，確保載荷能夠準確到達目標區(qū)域。

建立模型:假設發(fā)射天線方向圖函數(shù)為高斯函數(shù)，3個方向上的增益函數(shù)分別為G1（θ，φ），G2（θ，φ），G3（θ，φ）。θ，φ分別表示俯仰角和方位角，合理選擇3個波束的指向使它們彼此相交，并且關(guān)于中心線對稱。3個基帶信號發(fā)射功率Pt，頻率分別為f1、f2和f3，調(diào)制載頻為fc。載荷上寬接收波束增益為固定值G2，R是載荷接收機與發(fā)射機的距離。接收機實時接收信號，經(jīng)解調(diào)、濾波后得到

式（1）中y1（t）、y2（t）、y3（t）表示最終接收到的混合信號，s1（t）、s2（t）、s3（t）為接收的純凈信號，n1（t）、n2（t）、n3（t）表示接收機噪聲。

根據(jù)式（2）求得信號功率為Pr1，Pr2，Pr3。混合信號的功率分別為P1，P2，P3，由式（3）求解得到。

其中式（3）中的NN是時間上的離散點個數(shù)。Pr1，Pr2，Pr3，P1，P2，P3是M×N維矩陣，M和N分別是方位角和俯仰角的離散點個數(shù)。

若某一方位角φ0，俯仰角θ0使得P1（θ0，φ0），P2（θ0，φ0），P3（θ0，φ0）相等，（θ0，φ0）就是中心線的方向。下面給出一種循環(huán)算法求解中心線位置，模型為:

其中，A=P1+P2+P3是將方位和俯仰離散后得到總的功率矩陣。a是門限倍數(shù)，a的取值小于1，Amax表示矩陣A中的最大值，將aAmax作為檢測門限，目標函數(shù)t由式（5）求得

基本思想是:當3個混合信號功率越接近，目標函數(shù)的值就越小，當目標函數(shù)最小時對應的方位和俯仰就是要求解的中心線位置。如果在空間某些位置接收到的信號功率小于噪聲功率，噪聲對算法影響非常大，約束條件A（i，j）≥aAmax可解決這個問題，只有滿足條件的值，才可以用于目標函數(shù)的求解。其余的約束條件可避免3個混合信號功率相差太大，造成較大的計算誤差。

如果經(jīng)過上面的計算結(jié)果并不唯一，在滿足式（5）的前提下，將多個計算值代入式（6），使其最小的計算值就是最終的結(jié)果。

1.2 精確空投的工作過程

精確空投作業(yè)工作流程圖如圖1所示。

圖1 精確空投工作流程圖

運輸機在起飛之前，根據(jù)所要投放目標區(qū)域及其周圍的環(huán)境，運用計算機建模的方式初步計算投放點的位置，并將數(shù)據(jù)傳遞給飛行員。當飛機抵達計算空投點之后，在投放前將規(guī)劃軌道（即標準軌道）、當前位置信息和環(huán)境等信息上傳到精確空投系統(tǒng)單元上。投放之后，飛機與精確空投系統(tǒng)不再進行通信，由于環(huán)境因素可能導致載荷偏離理想路徑。利用文中所給出的定位算法，3個信號功率相等時載荷位于中心線上，保持現(xiàn)有飛行方向；3個信號功率不等時，根據(jù)偏離中心線的位置對飛行方向進行調(diào)整，確保載荷能夠準確到達目標區(qū)域。

2 仿真實驗

2.1 發(fā)射波束的形成

圖2 3個波束在空間上的方向圖

圖3 3個波束在俯仰上的方向圖

圖2和圖3分別給出了波束在空間和俯仰上的方向圖，仿真結(jié)果表明了設計方案的正確性。該方法的優(yōu)點是能夠改變增益最大值的俯仰角和方位角，得到不同指向的3個波束。

在這里對波束的重合度進行定義，重合度是指中心線位置的功率與最大功率的比值，即歸一化方向圖中心線位置數(shù)值，將代入方向圖函數(shù)，得到此時的重合度為0.606 5。

2.2 定位精度隨信噪比的變化

首先，對信噪比和誤差進行定義。由于載荷上接收機接收的3個信號的功率不同，如果采用傳統(tǒng)的定義方法，同一位置將出現(xiàn)3個不同的信噪比。因此，定義信噪比為接收機能夠接收到的最大信號功率與噪聲功率的比值。

仿真條件:假設雷達發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號，發(fā)射功率Pt=0.32 mW，調(diào)制頻率fc=3 GHz，基帶信號中心頻率f1=10 MHz，f2=15 MHz，f3=20 MHz，信號帶寬B=25 MHz，接收機通頻帶寬Bn=25 MHz，方位角度為0∶360°，俯仰角度0∶180°，方位離散點數(shù)M=5 000，俯仰離散點數(shù)N=5 000，時間離散點數(shù)NN=200，3個波束參數(shù)設置與2.1節(jié)相同，發(fā)射天線增益最大值Gmax=20 dB，接收天線增益G2=20 dB，目標點與載荷之間的距離R為0∶1 km，實驗次數(shù)MM=200，采用第2節(jié)給出的模型，并定義誤差為，得到平均誤差與信噪比關(guān)系如圖4所示。

圖4 精度隨信噪比變化圖

圖4給出了門限倍數(shù)為0.5，重合度0.606 5時，測量誤差隨信噪比變化的關(guān)系，從圖可以看出隨著信噪比的逐漸增大，誤差逐漸減小，并且在信噪比為17 dB時，測量誤差處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨信噪比增大而減小。這是因為信噪比較大時，接收機通道噪聲功率相對于信號功率非常小，基本可以忽略不計。當信噪比較大時，該方法精度較高，可以將誤差控制在0.1°以下。

2.3 門限倍數(shù)與信噪比的關(guān)系

本節(jié)將簡要分析利用第2節(jié)提出的模型進行計算時，在不同的信噪比下，對門限倍數(shù)的最低要求。最低要求表示如果門限倍數(shù)再降低，模型將失效。仿真條件與2.2節(jié)一樣，最低門限倍數(shù)仿真結(jié)果如下頁圖5所示。

圖5給出了重合度為0.606 5時，最小門限倍數(shù)隨信噪比的變化關(guān)系，從圖可知，隨著信噪比逐漸增大，最小門限倍數(shù)逐漸減小，即對門限倍數(shù)的要求變松。這是因為信噪比較小時，接收機噪聲對混合信號功率的影響較大，此時必須提高門限倍數(shù)以降低噪聲的影響，隨著信噪比的增大，接收機噪聲對混合信號功率的影響變小，門限倍數(shù)降低并不影響最終結(jié)果。因此，可以使用較大的門限，使得在載荷飛行的整個過程，模型都不會失效，在本文中取門限倍數(shù)a=0.5。

圖5 最小門限倍數(shù)隨信噪比變化圖

圖6 精度隨重合度變化圖

2.4 定位精度隨重合度的變化

本節(jié)將在門限倍數(shù)為和信噪比為確定情況下，討論重合度對計算精度的影響。通過改變（θ1，φ1），（θ2，φ2），（θ3，φ3），改變重合度大小，但始終保持中心線的位置為

圖6給出了門限倍數(shù)為0.5，信噪比分別為5.23 dB，6.99 dB，10 dB情況下，計算精度隨重合度變化曲線。從圖中可以看出，在信噪比一定的情況下，當重合度較小時，隨著重合度的逐漸增大，精度也逐漸提高；當重合度增加到一定大小時，隨著重合度的增加，精度反而變差。這是因為重合度較小時，接收機在中心線位置接收到的信號較弱，噪聲對精度影響較大；當重合度太大時，接收機在中心線位置接收到的信號較強，稍微偏離中心線，接收到的3個信號功率相差很小，導致精度也不高。仿真結(jié)果表示，重合度不能太大，也不能太小。從圖中可以看出，不同的信噪比下，精度隨重合度的變化曲線也不相同，信噪比越大，最佳重合度越小，這是因為信噪比較大時，噪聲影響較小，較小的重合度就可以滿足精度要求。從上述分析可知，當載荷距離目標區(qū)域較遠時，選取較大的重合度，隨著載荷離目標區(qū)域越來越近，可以逐漸降低重合度，始終保證較高的精度。

3 結(jié)論

本文提出了一種新的定位方法，并將其應用到空投技術(shù)。該方法克服GPS方法的不足，適用范圍較廣。在空投目標區(qū)域放置發(fā)射機，發(fā)射天線在3個方向形成彼此相交的波束，發(fā)射機與3個波束的交點構(gòu)成中心線，3個波束關(guān)于中心線對稱。發(fā)射天線在3個方向發(fā)射相同功率，不同頻率的信號。載荷上的接收機實時接收信號，經(jīng)傅里葉變換得到信號頻譜圖。3個信號功率相等時載荷位于中心線上，保持現(xiàn)有飛行方向；3個信號功率不等時，根據(jù)偏離中心線的位置對飛行方向進行調(diào)整，確保載荷能夠準確到達目標區(qū)域。文中給出了計算模型，通過分析信噪比對精度的影響，可以看出該方法在信噪比較低的情況下，精度依然較高，具有較強的實用價值；通過對門限倍數(shù)的分析，選取了合適的門限倍數(shù)確保計算方法不失效；通過分析重合度對精度的影響，可知通過改變重合度大小，使得載荷飛行過程中計算方法始終保持較高的精度。該方法不僅可以用于空投技術(shù)，還可以用于聯(lián)合尋敵，裝備對接等多個領域。

［1］于成果，李良春.精確空投系統(tǒng)分析［J］.兵工自動化，2007，26（4）:L06-L07.

［2］蒲志剛，李良春，唐波.基于應急突發(fā)事件的精確空投保障［J］.科技廣場，2009，22（9）:53-56.

［3］BENNEY R，BARBER J，MCGRATH J，et al.The joint precision airdrop system advanced concept technology demonstration［C］//AIAA 2005-1601 Aerodynamic Decelerators Conference，Munich，Germany，2005.

［4］于成果.精確空投系統(tǒng)軌跡的預測與規(guī)劃［D］.石家莊:軍械工程學院，2008.

［5］韓雅慧，楊春信，肖華軍，等.翼傘精確空投系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢［J］.兵工自動化，2012，31（7）:1-7.

［6］趙福英.從“天女散花”到“定點投送”——高空精確空投技術(shù)的最新發(fā)展［J］.現(xiàn)代兵器，2005（5）:18-21.

［7］BROWN G，HAGGARD R.The affordable guided airdrop system （AGAS）［C］//CEAS/AIAA 15th Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference，AIAA Reston，VA，1999.

［8］鄒輝.精確空投系統(tǒng)的發(fā)展［J］.現(xiàn)代軍事，2006，32（11）: 90-92.

［9］JENNY M S，CHRIS M M，ALAN L S.An overview of the guided parafoil system derived form X-38 Experience［J］. 2005.

［10］HATTIS P，F(xiàn)ILL T，RUBENSTEIN D，et al.An advanced on-board airdrop planner to facilitate precision payload delivery［J］.AIAA Paper，2000，43（7）:52-54.

A Study on Airdrop Technology Based on New Positioning Method

WEI Min，LI Xiao-bo，HUANG Zhong-rui，TANG Wen-long
（Electronic Engineering Institution，Hefei 230037，China）

Aiming at the positioning problem of airdrop technology，this paper proposes a new positioning method.Firstly，a transmitter is placed in airdrop target area，and transmitting antenna forms three beams intersecting with each other in three directions.The transmitter and three beams intersection forms the center line and three beams is symmetric.Further，transmitting antenna launches signals with the same power and different frequency in three directions.Finally，receiver on the load receives the signals and we can get the signal spectrum by Fouier transformation.When the power of three signal is equal，the load is located at the center line and keeping the current flight direction. When the power of three signal is unequal，the flight direction is adjusted according to the position of the center line and the load can reach to the target area accurately.This method has higher accuracy and can be adapted to complex electromagnetic environment.

precise airdrop，center line，coincidence degree，track adjustment

TN966

A

1002-0640（2017）03-0041-04

2016-01-17

2016-02-25

國家自然科學基金（61272333）； 安徽省自然科學基金資助項目（1308085QF99）

魏 民（1993- ），男，河南駐馬店人，碩士研究生。研究方向：空時自適應處理，雷達信號處理。