基于GPS的定高引信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜壯波，鮑愛(ài)達(dá)，馬游春，張澤宇

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，云爆彈因其獨(dú)特的作用原理和作戰(zhàn)效能在戰(zhàn)場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。云爆彈的效能與其爆破高度有著十分緊密的聯(lián)系，在適宜的高度爆破可以使其殺傷效能達(dá)到最大[3]。隨著武器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的云爆彈簡(jiǎn)化了彈體結(jié)構(gòu)，增大了燃料的有效載荷量，成為無(wú)需加裝降落傘的高著速類型[5]。因此亟需一種能快速精準(zhǔn)測(cè)定云爆彈高度的引信系統(tǒng)。目前常用的定高方式包括氣壓計(jì)、時(shí)間引信、激光測(cè)高和無(wú)線電測(cè)高等方法，其中氣壓計(jì)因其體積、工作原理等原因常用于飛機(jī)、無(wú)人機(jī)上；以延時(shí)為原理的時(shí)間引信，由于其定高精度低、靈活性差等缺點(diǎn)，無(wú)法達(dá)到現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的要求；激光測(cè)高和無(wú)線電測(cè)高作為兩種成熟的測(cè)高方式，具有精確度高、抗干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但由于其成本較高，常用于彈道導(dǎo)彈[6]。GPS是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),因其能提供實(shí)時(shí)高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息，在武器引信中得以廣泛應(yīng)用。

受限于GPS技術(shù)更新率慢，數(shù)據(jù)間隔時(shí)間長(zhǎng)，高度信息在彈丸高速下落時(shí)間距大，從而導(dǎo)致彈丸實(shí)際動(dòng)作高度與理論動(dòng)作高度誤差變大。本文將GPS技術(shù)與高度補(bǔ)償算法相結(jié)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(diǎn)，同時(shí)在成本、功耗、體積方面也滿足該型號(hào)云爆彈的要求[7-8]。

1 引信系統(tǒng)硬件構(gòu)成

定高引信系統(tǒng)主要由GPS模塊、FPGA主控模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和電源管理模塊組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 引信系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

其中彈丸的高度信息由GPS模塊獲取，F(xiàn)PGA將來(lái)自于GPS的數(shù)據(jù)解析并進(jìn)行高度判定，在到達(dá)目標(biāo)高度后將該高度相對(duì)應(yīng)的命令發(fā)送給配電器，由配電器控制彈丸執(zhí)行各個(gè)高度階段的動(dòng)作。無(wú)線收發(fā)模塊用于和外部計(jì)算機(jī)通信，引信系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)線信號(hào)接收指令，完成地面高度配置、復(fù)位等功能，也可以將定高過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

1.1 主控模塊

定高爆破對(duì)引信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及高度精度要求很高，單片機(jī)的性能較低無(wú)法作為系統(tǒng)的主控芯片。FPGA具有工作頻率高、集成度高及硬件設(shè)計(jì)可軟件化的特點(diǎn)，用它作為定高引信系統(tǒng)的主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)算，相比于DSP，可以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)試精度并大幅降低制造成本[9]。本系統(tǒng)選用Xilinx公司推出的Spartan6系列XC6SLX9芯片。該芯片內(nèi)部有9 152個(gè)邏輯單元，內(nèi)核電源為1.0 V或1.2 V，帶有集成內(nèi)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(tǒng)的設(shè)計(jì)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(lǐng)先的GNSS定位技術(shù)，集成了最輕且節(jié)能的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)技術(shù)(RTK)模塊，低占空比運(yùn)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(tǒng)的定高補(bǔ)償算法中，速度信息要參與補(bǔ)償高度的計(jì)算，高精度的速度數(shù)據(jù)有利于定高的精度。在動(dòng)態(tài)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(huán)境中保持衛(wèi)星鎖定，穩(wěn)定提供數(shù)據(jù)，可以搭載于低速投放的彈丸上。該芯片在具備優(yōu)秀性能的同時(shí)其成本也很低，具有很高的性價(jià)比。

1.3 無(wú)線收發(fā)模塊

引信系統(tǒng)通過(guò)射頻天線與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，無(wú)線射頻收發(fā)芯片采用SI4463，該芯片是一款高性能低電流的無(wú)線收發(fā)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(fā)射功率為+20 dB，發(fā)射電流18 mA，接收電流10 mA，高的靈敏度和發(fā)射功率能彌補(bǔ)低成本或小尺寸天線帶來(lái)的性能不足[11]。FPGA與SI4463之間通過(guò)4線SPI總線進(jìn)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(fù)責(zé)接收定高引信發(fā)送的命令，控制彈丸執(zhí)行動(dòng)作。彈體內(nèi)還有其它的電氣部件，它們之間通信所形成的電纜網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜。在引信系統(tǒng)與配電器連接和通信時(shí)應(yīng)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(hào)和電源隔離功能的ADM2682E芯片。ADM2682E的傳輸協(xié)議為RS422，RS422總線具有雙全工的特性，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)之間互不干擾，數(shù)據(jù)傳輸采用差分信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)。該芯片具有隔離式的RS422接口其內(nèi)部集成了一個(gè)5 kV rms隔離DC/DC電源，省去了外部DC/DC隔離模塊，同時(shí)該芯片還具備±15 kV靜電防護(hù)(ESD)功能，安全性高，使用簡(jiǎn)便。

在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在FPGA輸入端施加到TXD和DE引腳的數(shù)據(jù)以邏輯地(GND1)為參考，在信號(hào)接收和輸出端，由芯片內(nèi)部的隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)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(lián)兩個(gè)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(gè)大電容用于紋波抑制和適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。較小的電容靠近器件，電容兩端到引腳的走線總長(zhǎng)小于10 mm。

引信系統(tǒng)與配電器間電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為使信號(hào)順利傳遞且避免信號(hào)的反射和回波，須在信號(hào)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(tài)。終端匹配電阻值取決于電纜的阻抗特性，本系統(tǒng)差分信號(hào)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(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

GPS模塊與FPGA通過(guò)UBX協(xié)議進(jìn)行通信。UBX 協(xié)議是U-BLOX公司GPS模塊的專有協(xié)議，該協(xié)議通過(guò)使用8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)、2階段消息標(biāo)識(shí)符及低開(kāi)銷(xiāo)的校驗(yàn)算法來(lái)完成與主機(jī)的通信[12-13]。UBX協(xié)議包結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 UBX協(xié)議包結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用的具體UBX協(xié)議類型為UBX-NAV-PVT，該協(xié)議以“0xB5、0x62”作為幀頭，一幀數(shù)據(jù)為100字節(jié)，其中對(duì)于引信系統(tǒng)比較關(guān)鍵的信息是第42字節(jié)到第45字節(jié)的海拔高度信息和第62字節(jié)到65字節(jié)的垂直方向速度信息。

當(dāng)FPGA接收到第65字節(jié)的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)就得到了彈丸的海拔高度信息與垂直方向速度信息，此時(shí)將內(nèi)部標(biāo)志信號(hào)Receiveflag置1，運(yùn)行彈丸當(dāng)前地面高度計(jì)算。如果計(jì)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(tài)且其高度已經(jīng)進(jìn)入動(dòng)作區(qū)域，這時(shí)系統(tǒng)便進(jìn)入判高程序，否則便說(shuō)明彈丸未進(jìn)入投放狀態(tài)或未進(jìn)入預(yù)定動(dòng)作區(qū)域，無(wú)需進(jìn)行定高。在判高程序中，在到達(dá)目標(biāo)高度后，F(xiàn)PGA只向配電器發(fā)送一次相應(yīng)的命令，所以只有當(dāng)高度到達(dá)動(dòng)作高度且該動(dòng)作命令未發(fā)出時(shí)，F(xiàn)PGA才會(huì)向配電器發(fā)出動(dòng)作命令。無(wú)論是否進(jìn)入判高程序，系統(tǒng)都會(huì)把此過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如GPS解析數(shù)據(jù)、命令信號(hào)、配電器應(yīng)答信號(hào)等通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給外部計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2.2 高度補(bǔ)償算法

本系統(tǒng)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(shí)際彈丸下落一段時(shí)間后，彈丸的速度會(huì)越來(lái)越快，這將導(dǎo)致每?jī)纱蝹鬟f的高度差值將達(dá)幾十米，如果動(dòng)作高度落在GPS連續(xù)兩次傳遞的高度之間，那么引信系統(tǒng)在執(zhí)行該動(dòng)作時(shí)的高度誤差也會(huì)很大。因此本文設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)償算法，補(bǔ)償兩次信息傳遞過(guò)程中的高度信息。

圖6 補(bǔ)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(yùn)動(dòng)近似為勻速直線運(yùn)動(dòng)。FPGA接收到一次GPS模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)后，以該次數(shù)據(jù)的高度信息為基準(zhǔn)，垂直方向速度信息作為勻速直線運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，每過(guò)0.01 s，就計(jì)算一次當(dāng)前高度值，直到接收到下一次GPS模塊的數(shù)據(jù)。當(dāng)前高度的計(jì)算如式(1)所示：

hn=hr-hg-v×t

(1)

式中,hn為當(dāng)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(shí)間。

通過(guò)這種補(bǔ)償算法就將原本每秒10次的高度判定擴(kuò)展到了100次，提高了彈丸下落過(guò)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(bǔ)償算法流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)測(cè)試方案

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器可以當(dāng)作衛(wèi)星導(dǎo)航的模擬信號(hào)源，通過(guò)模擬GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的導(dǎo)航信號(hào)，來(lái)滿足各類GPS導(dǎo)航接收終端的測(cè)試需求[14]。

將模擬彈道數(shù)據(jù)輸入GPS信號(hào)模擬器。模擬器根據(jù)彈道產(chǎn)生相應(yīng)的定位信號(hào)，引信系統(tǒng)接收此定位信號(hào)并完成系統(tǒng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中采用相同的彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行一組對(duì)比測(cè)試，其一不啟用補(bǔ)償算法，另一次啟用補(bǔ)償算法。對(duì)比引信系統(tǒng)在此過(guò)程中發(fā)送的數(shù)據(jù)來(lái)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(tǒng)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)讀取引信系統(tǒng)的無(wú)線信號(hào)，兩次測(cè)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(shù)據(jù)時(shí)需要消耗時(shí)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(shí)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(shí)間和的關(guān)系如圖9所示。

圖9 誤差與時(shí)間關(guān)系圖

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

圖10 高度間距與時(shí)間關(guān)系圖

兩次測(cè)試中動(dòng)作執(zhí)行高度與目標(biāo)高度的誤差如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明在未啟用補(bǔ)償算法的情況下，由于高度信息間距大，高度誤差十分不穩(wěn)定。如果GPS采集的高度信息接近目標(biāo)高度則誤差相對(duì)較小，但若目標(biāo)高度在GPS兩次傳遞的高度之間，則誤差會(huì)很大，甚至達(dá)到幾十米。在啟用補(bǔ)償算法的情況下，高度誤差可以穩(wěn)定保持在5 m的范圍內(nèi)。補(bǔ)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(hào)云爆彈的精度要求。

表1 動(dòng)作執(zhí)行高度與目標(biāo)高度誤差表 m

3.3 影響定高精度的因素分析

由引信系統(tǒng)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(gè)方面。

多徑效應(yīng)引起的誤差。在實(shí)際使用過(guò)程中，因多徑效應(yīng)產(chǎn)生的影響，GPS的定位信息會(huì)產(chǎn)生誤差。多徑效應(yīng)是由于衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)不同路徑傳播后抵達(dá)接收端彼此相互干擾造成的誤差。衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)由地面或地物反射和因大氣電離層和對(duì)流層散射是多徑效應(yīng)誤差的兩大來(lái)源，其中又以地面反射為主。引信系統(tǒng)的使用環(huán)境為高空，因此來(lái)自地面反射的多徑效應(yīng)十分微弱，而大氣傳播介質(zhì)散射對(duì)系統(tǒng)影響有限，對(duì)定高精度誤差較小，在可接受的范圍內(nèi)。

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(biāo)點(diǎn)區(qū)域的海拔高度配置進(jìn)引信系統(tǒng)。配置給引信系統(tǒng)的目標(biāo)點(diǎn)的海拔高度信息與實(shí)際的海拔高度會(huì)存在誤差，該誤差與目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域的地形有關(guān)，如果目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域地勢(shì)沒(méi)有劇烈變化，則對(duì)系統(tǒng)定高精度不會(huì)有太大影響。

引信系統(tǒng)的誤差。系統(tǒng)本身產(chǎn)生的誤差來(lái)源有兩方面：1)系統(tǒng)主控芯片運(yùn)行程序所消耗的時(shí)間會(huì)使彈丸執(zhí)行動(dòng)作時(shí)的高度低于真實(shí)高度。該誤差與彈丸下落時(shí)間以及彈丸速度呈線性關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化判高算法可減小此誤差；2)判定高度與動(dòng)作高度之間的誤差，定高補(bǔ)償算法極大地減小了此誤差，但該誤差依然存在?？赏ㄟ^(guò)定高補(bǔ)償算法的思路繼續(xù)提高判高的采樣率來(lái)減小該誤差，但需要更換算力更強(qiáng)的主控芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，會(huì)提升系統(tǒng)的成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(tǒng)，針對(duì)GPS技術(shù)更新速率慢、高度信息間隔大導(dǎo)致判定高度誤差大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高度信息補(bǔ)償算法。經(jīng)測(cè)試該引信系統(tǒng)定高精度顯著提高，可以滿足實(shí)戰(zhàn)要求；此外，該定高引信系統(tǒng)還有低成本、低功耗、等優(yōu)點(diǎn)，有望應(yīng)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。