一種小型化炮彈落點定位系統(tǒng)設(shè)計

馬游春，張琦琪

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

在進行靶場測試時，由于炮彈在飛行過程中有大量的飛行數(shù)據(jù)，需要對測試的炮彈進行回收[1-3]。因此，確定炮彈落點在整個實驗過程中起著至關(guān)重要的作用。但是，傳統(tǒng)的尋找炮彈落點的方法主要通過人工搜尋，由于炮彈落點的不確定以及地理位置的遮擋，比如隱藏在灌木叢中或者滲入沙地，都會對人工排查帶來巨大的挑戰(zhàn)，搜尋過程會很困難[4]。在炮彈發(fā)射過程中，發(fā)射彈道是固定的，飛行過程可能出現(xiàn)偏差，但是飛行方向不會出現(xiàn)較大變化，整個炮彈的落點位置可能為朝前方向的扇形，這就為整個方案設(shè)計簡化了步驟。

該文提出了一種快速確定炮彈落點的方法——采用定位模塊和MESH 組網(wǎng)設(shè)計確定炮彈落點信息。在炮彈處裝載GPS/北斗雙模定位模塊和無線通信模塊。先在整個炮彈的發(fā)射范圍內(nèi)布滿無線通信模塊，配置相應(yīng)信息構(gòu)成MESH 組網(wǎng)模式，在整個炮彈飛行過程中實時定位并以每秒1 次的頻率回傳定位信息，能夠確定整個飛行過程中的位置信息，并可以通過整個飛行過程的定位來確定大致落點位置。同時，還可以在炮彈掉落后實時發(fā)送位置信息，方便尋找。結(jié)合實際應(yīng)用背景，由于該信標(biāo)機需要搭載到炮彈上，對發(fā)射端的體積、形狀等具有較高要求。

該設(shè)計相較于目前火熱的北斗短報文傳輸定位模式[5]，在功耗、成本、設(shè)計周期等方面具有較大優(yōu)勢，而且操作簡單便捷。北斗短報文定位模式是北斗系統(tǒng)所特有的一種定位模式。相比于GPS 定位系統(tǒng)只能單向地將定位信息從衛(wèi)星發(fā)送給定位模塊，北斗短報文可以實現(xiàn)一個雙向的傳輸。這樣對于信標(biāo)機[6]設(shè)計來說，安裝了北斗定位系統(tǒng)的定位模塊，可以將定位信息通過衛(wèi)星傳輸?shù)饺我獾胤絒7]，但是，設(shè)計過程較為復(fù)雜，成本高。綜上，出于成本、體積、功耗等多方面考慮，該設(shè)計方法優(yōu)于北斗短報文設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)總設(shè)計方案

在設(shè)計過程中，將定位模塊和無線通信模塊連接到一起，將炮彈飛行過程中的定位信息通過無線通信模塊發(fā)送出去，無線通信模塊接收到信息，通過FPGA 進行數(shù)據(jù)解析，將解析出的數(shù)據(jù)上傳到上位機。同時，炮彈在飛行過程中，飛到無線通信模塊構(gòu)成的MESH 組網(wǎng)的范圍內(nèi)，以炮彈（即炮彈上搭載的發(fā)射端）為中心，天線傳輸范圍內(nèi)的無線通信模塊都會收到定位信息，然后再以第一波接收到定位信息的無線通信模塊為中心，繼續(xù)覆蓋傳輸，最終傳輸給終端。該設(shè)計分為發(fā)射端和接收端，發(fā)射端[8]包括定位模塊、無線通信模塊、電源管理模塊以及天線等，接收端模塊包括無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源管理模塊以及天線等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 定位模塊

該文選取全星座定位模塊ATGM336H 作為該設(shè)計的定位模塊[9]，ATGM336H 是一款高性能全星座定位導(dǎo)航模塊，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國的BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），美國的GPS等。ATGM336H包含32 個跟蹤通道可以同時接收六個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS 信號，并且實現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時，具有體積小、高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢。而且具有配套的GPS 參數(shù)設(shè)置軟件GNSS 工具，可以直接在上位機上通過軟件來調(diào)整GPS模塊參數(shù)，使用起來很方便。ATGM336H 上配置有電池，支持冷啟動和熱啟動兩種模式，經(jīng)實際測試，冷啟動定位時間約為36s，熱啟動約為3～5s。啟動時間較短，可以滿足定位需求。

在設(shè)計過程中，ATGM336H 采用3.3 V 供電，其中2 引腳TX 和3 引腳RX 以及11 引腳RF_IN 作為整個模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)端口。由于需要選用共形微帶天線，此類天線為無源天線[10-11]，而且搜尋裝置對定位精度要求較高，因此需要將定位模塊接線方法設(shè)計為無源接法。在RF_IN 口接入低噪聲放大器AT2659，低噪聲放大器可以放大天線信號，但是噪聲系數(shù)很低，有利于接收定位信息同時噪聲影響很小。定位模塊接線示意圖如圖2 所示。

圖2 定位模塊接線示意圖

2.2 無線通信模塊

該文選用P900 模塊作為本設(shè)計的無線通信模塊。P900 模塊尺寸小，搭載在炮彈上具有較大的優(yōu)勢。Microhard P900 OEM 模塊是一款工業(yè)級高性能無線串口通信模塊，支持多種通信模式。P900 工作頻率為902～928 MHz，采用調(diào)頻擴頻技術(shù)（FHSS）實現(xiàn)可靠的無線異步數(shù)據(jù)傳輸[12]。最大發(fā)射功率可達1 W，最大傳輸波特率可達到230.4 kbps。P900 模塊穩(wěn)定可靠，速率高，延時低，數(shù)據(jù)通信安全性強，抗干擾能力強。P900 模塊目前在國內(nèi)無人機，應(yīng)急語音通信行業(yè)具有非常大的應(yīng)用前景。在設(shè)計過程中，利用P900 模塊作為無線通信模塊，將定位信息傳遞給另一個P900 模塊，連接上位機讀取定位信息。在實際測量中，天線增益為6 dBi時，空速為276 480 bps、功率1 W 和波特率115 200 bps，一端置于高處，可視作無遮擋，傳輸距離可達到9～10 km。將幾種常用的無線通信模塊和該設(shè)計使用的P900 模塊進行對比[13]，比較結(jié)果如表1 所示。P900 模塊作為收發(fā)一體機，利用一根天線，可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。此通信方式為半雙工模式。在P900 模塊內(nèi)部，搭載了射頻開關(guān)SKY13335-381LF，可以實現(xiàn)天線的分時復(fù)用。在通道選擇器的作用下，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，VCTL1 端給高電平，VCTL2 端給低電平，通道1 接通，通道2 斷開，數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送出去。在接收數(shù)據(jù)時，VCTL2給高電平，VCTL1 給低電平，通道2 接通，通道1 斷開，數(shù)據(jù)通過天線接收回來。

表1 無線通信模塊對比結(jié)果

在P900 模塊中，雖然傳輸距離較遠，但是炮彈落點范圍大，就需要對P900 模塊進行通信范圍的拓展，該設(shè)計選用通信組網(wǎng)模式。通信組網(wǎng)模式示意圖如圖3 所示。

圖3 通信組網(wǎng)模式示意圖

利用MESH 組網(wǎng)模式，可以擴大通信范圍。每一個通信模塊都可以實現(xiàn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。電腦端連接任意通信模塊都可以接收到數(shù)據(jù)。在整個通信結(jié)構(gòu)中，不區(qū)分主站和從站，每一個模塊都是獨立的通信個體，只要在自己的信號接收范圍內(nèi)都可以接收來自任意模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)。整個實驗過程中，在整個試驗場地布置好通信模塊，設(shè)置為組網(wǎng)模式，同時在導(dǎo)彈上攜帶一個通信模塊，導(dǎo)彈進入到組網(wǎng)布控的范圍內(nèi)，就會發(fā)送定位信息，然后通過組網(wǎng)的通信傳遞到各個終端。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

接收端主控部分選用Altera 公司的cycloneIV 系列的FPGA 芯片EP4CE10F17C8[14],它含有的邏輯單元數(shù)為10K，SDRAM 存儲器擁有256 Mbit 的資源，最高運行頻率166 MHz，并可通過邏輯實現(xiàn)直接驅(qū)動，功耗小、體積小、性價比高。它的主要功能是對從接收端的通信模塊傳輸來的數(shù)據(jù)進行接收、存儲、解析和提取，串口波特率設(shè)為9 600 bit/s。

2.4 天線

發(fā)射端的定位模塊和無線通信模塊需要天線進行接收以及發(fā)送數(shù)據(jù)，但是由于GPS 天線的工作頻段和P900 的工作頻段各不相同，所以需要不同的天線，為了減少體積，均選取微帶貼片天線。接收端僅有P900 模塊需要天線，選取工作頻段在900 MHz 的天線即可。定位模塊的天線選取微帶全向天線，繞著炮彈殼體貼一周，極大地減小了由于天線造成的體積過大和形狀不規(guī)則對炮彈飛行速度和落點的影響。同理，P900 模塊所需的天線同樣貼在炮彈殼體表面。

3 軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)幀格式

在定位信息中，夾雜著很多不需要的信息，在傳輸信息的過程中，如果僅傳輸自己需要的信息，可以大大地減少傳輸量。在全部的GPS 類型信息中，需要提取出所需要的信息。GPS 信號通過串口以NMEA-0183 標(biāo)準(zhǔn)格式[15-17]輸出，NMEA-0183 通信協(xié)議提供六種數(shù)據(jù)格式，分別是GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VTG。為了獲得所需要的日期、時間、經(jīng)度、緯度信息，且減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，該文選取RMC 格式。在RMC 格式中，第一個字段表示的是UTC 時間，即比北京時間晚8 h，順序按時分秒排列；第三個字段表示緯度的度數(shù)；第四個字段表示北緯還是南緯；第五個字段表示經(jīng)度的度數(shù)；第六個字段表示東經(jīng)還是西經(jīng)；第九個字段表示UTC 的日期，其他的信息不重要，不予解釋。

3.2 數(shù)據(jù)解析

在發(fā)送端，通過配GPS 信息可以單獨選擇由RMC 格式輸出，這樣通過TX 和RX 端接口，可以將信息傳輸給P900 無線通信模塊后，由無線通信模塊將信息發(fā)送到接收端，接收端的通信模塊接收到信息并傳給主控芯片，然后進行數(shù)據(jù)解析，將解析后的數(shù)據(jù)顯示出來。定位數(shù)據(jù)的格式解析部分是程序設(shè)計的重點。在接收端接收到定位數(shù)據(jù)后，通過TX 和RX 傳輸?shù)酱趦?nèi)，串口首先進行初始化，檢測串口是否打開，打開就檢測波特率是否一致，如果沒打開就重新返回檢測是否打開串口。波特率如果一致，就進行下一步監(jiān)聽串口，如果不一致，返回上一步。監(jiān)聽串口監(jiān)聽到了數(shù)據(jù)，就檢測幀頭，如果沒監(jiān)聽到數(shù)據(jù)，就繼續(xù)監(jiān)聽。檢測到了幀頭，就進行解析數(shù)據(jù)，如果未檢測到幀頭，就繼續(xù)檢測。解析好的數(shù)據(jù)包括經(jīng)度、緯度和時間信息。數(shù)據(jù)解析流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)解析流程圖

4 系統(tǒng)測試

由于實驗條件有限，沒有進行實彈測試，選擇在學(xué)校內(nèi)進行定點定位測試系統(tǒng)功能。在上位機端顯示的頁面如圖5 所示，表示無線通信模塊接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)過解析后的結(jié)果，可以清晰地給出日期、UTC時間、經(jīng)度和緯度，一目了然地觀察到目標(biāo)所在的位置信息。

圖5 炮彈落點位置信息顯示頁面圖

無線通信模塊接收到的數(shù)據(jù)未解析的實驗結(jié)果如圖6 所示。在上方框內(nèi)顯示的即為RMC 格式數(shù)據(jù)在ASCII 碼下的顯示結(jié)果，下方顯示的是RMC 格式數(shù)據(jù)在16 進制下顯示的結(jié)果。在ASCII 碼中，$GPRMC 轉(zhuǎn)換為16 進制表示成24 47 50 52 4D 43，此為識別的幀頭。根據(jù)第一個框中顯示083757.000，A，3800.83559，N，11226.77062，E 表示為現(xiàn)在的UTC時間為8 時37 分57 秒，定位為有效定位，緯度為北緯38.008 355 9°，經(jīng)度為東經(jīng)112.267 706 2°。第二個框中16 進制數(shù)表示的是現(xiàn)在的UTC 時間為8 時37分58秒，定位為有效定位，緯度為北緯38°008 355 6°，經(jīng)度為東經(jīng)112.267 706 3°。經(jīng)兩次數(shù)據(jù)對比可以得知數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為每秒1 次，滿足通信頻率要求。根據(jù)定位信息，就可以定位到炮彈所在位置。

圖6 無線通信實驗結(jié)果圖

經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)查詢，學(xué)校內(nèi)定點定位測試位置的經(jīng)緯度信息為東經(jīng)112.459 700 38°，北緯38.021 042 8°，與實際測得的東經(jīng)112.267 706 3°，北緯38.008 355 6°誤差較小，符合定位精度要求，證明了該方法的可行性和正確性。在最終的設(shè)計結(jié)果中，發(fā)射端的體積僅為35×26×6 mm3，具有小型化的特點。同時，在正常通信過程中，發(fā)射端系統(tǒng)供電電壓為7.4 V，電流為0.33 A，計算的功耗僅有2.442 W，兼具了低功耗的特點。

5 結(jié)論

針對炮彈發(fā)射后落點的位置信息不能及時傳遞和炮彈無法快速回收的問題，設(shè)計了一種快速定位炮彈落點位置信息的信標(biāo)機。該文所設(shè)計的信標(biāo)機不僅能夠快速定位到位置信息，還能在飛行過程中實時傳遞位置信息。不受炮彈落點影響，操作方便，極大地提高了炮彈搜尋的精確度，快速地回收彈載記錄儀。并且該信標(biāo)機設(shè)計以體積小、功耗低、成本低為特點，具有廣泛的實際應(yīng)用價值和可行性。