北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在遙控靶船上的應(yīng)用

程天慶，韓小鋼

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北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在遙控靶船上的應(yīng)用

程天慶，韓小鋼

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 116018）

我國(guó)自主研制的北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）特有的定位、短報(bào)文通信功能，該技術(shù)的應(yīng)用為海軍遙控靶船提供一種可靠性高、工作穩(wěn)定的自動(dòng)化控制方式，既可實(shí)現(xiàn)遙控靶船的精確定位、定向測(cè)量，也可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳、遙控指令的下發(fā)，極大地提升了遙控靶船的工作性能。這對(duì)我國(guó)北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和海軍武器裝備建設(shè)，具有積極的推動(dòng)作用，同時(shí)對(duì)推動(dòng)遙控靶船的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)也具有十分重要的意義。

北斗 衛(wèi)星定位 短報(bào)文通信 遙控靶船

0 引言

隨著我國(guó)海軍建設(shè)的迅猛發(fā)展，艦艇和武器裝備數(shù)量激增，用于海軍武器試驗(yàn)的靶船建設(shè)工作變得越來(lái)越重要。

我國(guó)的靶船建設(shè)經(jīng)歷了從固定靶船到遙控靶船的過(guò)程。早期為了測(cè)試海軍武器的打擊效能，在實(shí)彈演習(xí)時(shí)，主要使用固定靶船充當(dāng)打擊目標(biāo)。如今，對(duì)靶船的要求越來(lái)越高，不僅能夠高速行駛，還能釋放電磁干擾、躲避雷達(dá)搜索、誘導(dǎo)來(lái)襲導(dǎo)彈偏離航向。我國(guó)海軍主要將退役的艦艇通過(guò)改裝后作為靶船使用，在靶船上安裝各種傳感器和自動(dòng)控制設(shè)備，增強(qiáng)遠(yuǎn)程遙控能力，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高度機(jī)動(dòng)靈活的控制。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國(guó)自行研制開(kāi)發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)（CNSS），是繼美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，因其具有定位精度高、保密性能強(qiáng)和短報(bào)文通信的獨(dú)有設(shè)計(jì)特點(diǎn)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也越來(lái)越廣泛應(yīng)用于電力、建筑、測(cè)繪、水利、海洋、交通、應(yīng)急救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用在遙控靶船上，可以隨時(shí)掌握靶船的位置信息，極大提高靶船的可操控性，提高武器裝備的訓(xùn)練質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

該靶船由退役艦艇改造而成。改造后，新增主控制器、人機(jī)觸摸屏（HMI）、北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、通訊控制器、主機(jī)控制器、舵機(jī)控制器、調(diào)距槳控制器等?？傮w結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

主控制器核心單元為可編程控制器（簡(jiǎn)稱PLC），PLC功能強(qiáng)大，可靠性高、應(yīng)用靈活，在工業(yè)自動(dòng)化控制，石油、機(jī)械、電力、軍工方面均有廣泛的應(yīng)用。作為控制器的核心部件，PLC接收通訊控制器的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算，解析相關(guān)協(xié)議及信息，發(fā)出控制指令。同時(shí)將靶船的運(yùn)行及狀態(tài)信息經(jīng)由通訊控制器輸送給指揮船。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)

原設(shè)計(jì)主動(dòng)力裝置（主機(jī)）為雙機(jī)、雙軸、雙槳布置，主機(jī)型號(hào)為8300ZC，四沖程中速大功率增壓直接回行柴油機(jī)。柴油機(jī)通過(guò)艉軸直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，無(wú)齒輪箱和離合器，同時(shí)配置了液壓調(diào)距槳系統(tǒng)。根據(jù)該船主動(dòng)力裝置布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，新增設(shè)計(jì)控制主機(jī)和調(diào)距槳的專用控制設(shè)備，即主機(jī)控制器和調(diào)距槳控制器。改造后，該船可以采用無(wú)人值守自動(dòng)控制系統(tǒng)，由駕駛臺(tái)主控制器發(fā)車(chē)令，操縱柴油機(jī)啟動(dòng)、停車(chē)及調(diào)速，同時(shí)操縱調(diào)距槳，從而控制船的前進(jìn)、后退及航速。

1.3 主機(jī)（主動(dòng)力裝置）控制器設(shè)計(jì)

針對(duì)8300ZC主機(jī)的結(jié)構(gòu)、配置和操控方式，其主機(jī)控制器主要由主機(jī)控制箱、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、通訊控制器三大部分組成。

控制器是主機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)所有的輸入輸出信號(hào)及其指令都由控制器內(nèi)部的PLC進(jìn)行處理。有2種操作模式，其一是有線模式，其二是無(wú)線遙控模式。

有線控制模式時(shí)，主機(jī)操縱人員通過(guò)控制箱上的人機(jī)觸摸屏向控制器輸入控制指令。控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制主機(jī)的調(diào)速，在人機(jī)觸摸屏上可同步顯示主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

無(wú)線遙控模式時(shí)，控制器通過(guò)通訊口與通訊控制器進(jìn)行通信及命令接受，通訊控制器接受遠(yuǎn)程無(wú)線指揮中心命令，通過(guò)通訊線傳給控制器指令信號(hào)，對(duì)主機(jī)進(jìn)行控制。控制器將主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)上傳，遠(yuǎn)程遙控人員根據(jù)PC機(jī)遙控界面了解船的實(shí)際工作狀況。

機(jī)旁操縱模式時(shí)，主機(jī)操作人員通過(guò)離合器取消遙控模式，可進(jìn)行機(jī)旁人工操控主機(jī)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)緊湊的電動(dòng)機(jī)—蝸桿減速器—手動(dòng)離合器—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。主機(jī)控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主機(jī)控制器工作示意圖

1.4 舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)遙控靶船遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)向的功能，根據(jù)電動(dòng)液壓舵機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)一套舵機(jī)控制器，該控制器的主要功能如下：

1）接收主控制器發(fā)來(lái)的舵角指令；

2）控制舵機(jī)按指令轉(zhuǎn)舵（左30度～0～右30度）；

3）將實(shí)際舵角上傳給主控制器；

4）在失聯(lián)條件控制舵機(jī)轉(zhuǎn)舵“0”度（保護(hù)狀態(tài)一），或左滿舵（保護(hù)狀態(tài)二）；

5）手動(dòng)/遙控轉(zhuǎn)換方便迅速；

6）運(yùn)行可靠，操作方便。

舵機(jī)控制器主要由可編程控制器（PLC）、人機(jī)觸摸屏（HMI）和驅(qū)動(dòng)電路組成，舵機(jī)控制原理示意圖如圖3所示，舵機(jī)控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3 舵機(jī)控制原理示意圖

圖4 舵機(jī)控制器結(jié)構(gòu)示意圖

主控制器接收無(wú)線遙控轉(zhuǎn)舵指令，主控制器通過(guò)RS485通訊口將指令傳給舵機(jī)控制器內(nèi)的PLC，PLC對(duì)舵角指令和實(shí)際舵角進(jìn)行比較，如不一致，發(fā)出左舵或右舵命令，直到實(shí)際舵角與指令舵角一致為止。通訊中斷后，PLC的保護(hù)程序?qū)⒍娼强刂圃凇?”度或左滿舵。

1.5 通訊控制器設(shè)計(jì)

通訊控制器是遙控靶船控制系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)與指揮系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)的重要工作，其主要功能由三部分組成，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電臺(tái)通訊和北斗短報(bào)文通訊。

1.5.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航

采用低功耗設(shè)計(jì)，兩路天線輸入信號(hào)獨(dú)立跟蹤，支持北斗B1/B2,提供毫米級(jí)載波相位觀測(cè)值和厘米級(jí) RTK 定位精度，支持芯片級(jí)多路徑抑制，領(lǐng)先的瞬時(shí)RTK和高精度定向技術(shù)。在本應(yīng)用中，單點(diǎn)平面定位精度可以達(dá)到1.5 m，滿足靶船的測(cè)試要求。

為適應(yīng)高可靠性、高穩(wěn)定性、適合嚴(yán)酷的工作環(huán)境，電路設(shè)計(jì)選用高性能的電子元件和SMT技術(shù)。位置信息輸出頻率最高可以達(dá)到20 Hz。

為避免靶船在航行中偏離航向，本例采用雙天線設(shè)計(jì)，在船體的中心軸線上，船頭和船尾各安裝一個(gè)高精度天線，通過(guò)饋線將信號(hào)傳送至北斗定位模塊。模塊再獲取兩路信號(hào)后，根據(jù)兩點(diǎn)形成一條直線的原理，通過(guò)解算可達(dá)到0.2度的定向精度。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航模塊將定位數(shù)據(jù)和航行數(shù)據(jù)送至主控制器，主控制器根據(jù)既定的路線，實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)舵機(jī)的舵角和調(diào)距漿的航速。

同時(shí)，主控制器將定位數(shù)據(jù)和航行數(shù)據(jù)按照一定的頻率發(fā)送指揮船，由指揮船完成跟蹤信息的更新。

1.5.2 北斗衛(wèi)星航向信息的解析

航向是靶船中心軸線上的2個(gè)天線形成的基線向量順時(shí)針?lè)较蚺c真北的夾角，接收到該條信息后，通訊控制器需要提取航向角和俯仰角信息。

例如其語(yǔ)句格式如下：

#HEADINGA, COM2, 0, 90.0, FINE, 1939, 182038.000, 00000000, 930250813, 0; SOL_ COMPUTED, NARROW_INT, 37.0693, 288.0244, -0.7296, 0.0000, 0.0093, 0.0213, "0", 21, 21, 21, 21, 0, 01, 0, c3*968a3e06

數(shù)據(jù)由信息頭、解算狀態(tài)、位置類型、基線長(zhǎng)（0至3000 m）、航向（0至360度）、俯仰（±90degrees）、航向標(biāo)準(zhǔn)偏差、俯仰標(biāo)準(zhǔn)偏差、跟蹤的衛(wèi)星數(shù)量、使用的衛(wèi)星數(shù)量、截止高度角以上的衛(wèi)星數(shù)量、擴(kuò)展解狀態(tài)、信號(hào)掩碼、32位CRC校驗(yàn)、語(yǔ)句結(jié)束符組成。

上位機(jī)軟件通過(guò)解析以上語(yǔ)句，獲取靶船的航向信息，并可以實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上。同時(shí)，指揮船適時(shí)發(fā)出控制指令，調(diào)整靶船航向，避免洋流或風(fēng)浪驅(qū)使靶船偏離既定航向。

1.5.3 北斗衛(wèi)星定位信息的解析

北斗定位的主要數(shù)據(jù)是衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)輸出格式語(yǔ)句GNGGA語(yǔ)句，是NMEA格式中使用最廣的數(shù)據(jù)之一。其語(yǔ)句格式如下：

$GNGGA, 023340.00, 3030.42133177, N, 11420.18534531, E, 1, 19, 0.7, 72.8315, M, -14.4857, M, 00, 0000*6B

數(shù)據(jù)由信息頭、位置對(duì)應(yīng)的 UTC 時(shí)間（小時(shí)/分鐘/秒/十分之一秒）、緯度（DDmm.mm）、緯度方向（N = 北， S = 南）、經(jīng)度（DDDmm. mm）、經(jīng)度方向（E = 東， W = 西）、GNSS 質(zhì)量指示符、使用中的衛(wèi)星數(shù)、水平精度因子、天線高度、天線高度單位（M = 米）、大地水準(zhǔn)面差距、大地水準(zhǔn)面差距單位（M = 米）、校驗(yàn)和、語(yǔ)句結(jié)束符組成。

上位機(jī)軟件通過(guò)解析以上語(yǔ)句，獲取靶船的位置信息，可以實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上。同時(shí)，調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的一段時(shí)間的定位信息，連接形成曲線，從而得到這段時(shí)間靶船的運(yùn)行軌跡。

1.5.4 無(wú)線電臺(tái)通信

采用傳統(tǒng)的大功率無(wú)線電臺(tái)，與現(xiàn)場(chǎng)指揮船保持聯(lián)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。具有傳輸數(shù)據(jù)量大、通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，最大傳輸距離可以達(dá)到幾十海里。

1.5.5 北斗短報(bào)文通信

作為無(wú)線電臺(tái)的備選方案，在無(wú)線電臺(tái)停止工作后，自動(dòng)啟動(dòng)北斗短報(bào)文通信功能。該部分采用北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)特有的短報(bào)文通信功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶船的監(jiān)控和遙控命令的下發(fā)，靶船實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上傳。

短報(bào)文通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、保密性高、通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)全天候無(wú)障礙通信。配合指揮卡的使用，既可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳送，也可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的傳送。

北斗短報(bào)文通信需要遵從一定的衛(wèi)星通訊協(xié)議。在北斗通信控制軟件內(nèi)嵌入“北斗4.0協(xié)議”程序，完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的電文數(shù)據(jù)的解析，控制命令的分發(fā)和響應(yīng)；對(duì)要發(fā)送的短報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化、編排組織和啟動(dòng)發(fā)送。

2 功能測(cè)試

2017年在海上進(jìn)行某型陸基導(dǎo)彈的測(cè)試。

測(cè)試人員將靶船駕駛至既定海域，在將靶船進(jìn)行調(diào)整設(shè)置后，測(cè)試人員撤離靶船，靶船進(jìn)入遙控狀態(tài)。

指揮船通過(guò)不斷回傳的定位數(shù)據(jù)，在地圖上查看靶船的位置。通過(guò)電腦遠(yuǎn)程控制靶船的航速和航向。

圖5 指揮軟件界面

各項(xiàng)功能測(cè)試合格后，靶船進(jìn)入就緒狀態(tài)。由指揮中心通知導(dǎo)彈發(fā)射基地進(jìn)入準(zhǔn)備發(fā)射狀態(tài)。

15:37，在輸入靶船坐標(biāo)信息后，導(dǎo)彈騰空發(fā)射，向目標(biāo)海域飛去。

與此同時(shí)，指揮船向靶船發(fā)出指令，啟動(dòng)最大航速，向正南方向“逃竄”。

5分鐘后，導(dǎo)彈到達(dá)目標(biāo)海域上空，完成1次變軌，調(diào)整導(dǎo)彈飛行姿態(tài)。

30秒后，導(dǎo)彈啟動(dòng)末端制導(dǎo)系統(tǒng)，向靶船飛去。

5秒鐘后，導(dǎo)彈準(zhǔn)確擊中靶船，海上傳來(lái)巨大的爆炸聲，海面騰起沖天水柱。

指揮船與靶船的通訊中斷。搜救船隨即進(jìn)入目標(biāo)海域，打撈靶船上的數(shù)據(jù)記錄儀。

經(jīng)過(guò)事后對(duì)數(shù)據(jù)記錄儀解密分析，靶船各項(xiàng)功能工作正常，其航速航向以及運(yùn)行軌跡與雷達(dá)測(cè)量的結(jié)果完全一致。

3 結(jié)論

本文介紹了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在遙控靶船上的應(yīng)用，對(duì)靶船的電控系統(tǒng)（調(diào)距槳裝置和電動(dòng)舵機(jī)裝置）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，以及北斗短報(bào)文功能做了重點(diǎn)介紹。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn)，是大國(guó)強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志。原北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫家棟院士說(shuō)過(guò)“北斗系統(tǒng)的重中之重在于應(yīng)用”，應(yīng)用是北斗建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。而北斗的應(yīng)用領(lǐng)域只受人們的想象力所限，可以說(shuō)沒(méi)有做不到，只有想不到。它已經(jīng)成為一種嶄露頭角的全球信息基礎(chǔ)設(shè)施，是推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的強(qiáng)有力支撐。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在遙控靶船上的推廣應(yīng)用，不僅提高了遙控靶船的戰(zhàn)技術(shù)性能，同時(shí)也提升了海軍武器裝備性能和武器裝備試驗(yàn)效果。對(duì)推動(dòng)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展，打破GPS在衛(wèi)星定位導(dǎo)航領(lǐng)域的壟斷，具有積極的意義。

該型靶船在海軍部隊(duì)的使用，實(shí)踐證明，該產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，遠(yuǎn)程遙控可靠，操作簡(jiǎn)單。這些優(yōu)點(diǎn)使得該型遙控靶船有著廣泛的應(yīng)用前景。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)引入遙控靶船智能控制領(lǐng)域，提高了遙控靶船功能與性能，具有較好的軍事及經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其應(yīng)用推廣的國(guó)家意義[J]. 領(lǐng)導(dǎo)文萃, 2017, (7).

[2] 戰(zhàn)興群, 趙雋, 張炎華等. 機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)研制[J]. 船舶工程, 2001, (3): 42-46.

[3] 閆世杰. 船舶信號(hào)[M]. 人民交通出版社, 2006: 26-82.

The Design of the Pitch Control System Based on PLC

Cheng Tianqing, Han Xiaogang

（PLA Dalian Naval Academy, Liaoning 116018, China）

P228

A

1003-4862（2018）11-0010-04

2018-08-02

程天慶（1970-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶控制及其自動(dòng)化。E-mail:hghxg@163.com