双模导航武器的遥测天线自适应跟踪方法

许吉斌，冉玉忠，郭慧平

(湖南云箭集团有限公司长沙机电产品研究开发中心，湖南 长沙 410100)

双模导航武器的遥测天线自适应跟踪方法

许吉斌，冉玉忠，郭慧平

(湖南云箭集团有限公司长沙机电产品研究开发中心，湖南长沙410100)

针对现有的遥测天线跟踪方法方式单一，对GPS数据依赖程度高的问题，提出了双模导航武器的遥测天线自适应跟踪方法。该方法通过对双模导航武器遥测数据特征的分析，提取出武器的GPS和北斗导航位置信息，计算出目标相对于观测点的俯仰、方位角和相应的跟踪阈值，自适应地对其进行过滤，选择合适的引导方式，并通过网络控制天馈系统对空基精确制导武器进行跟踪。试验验证表明，该方法有效地提高了遥测天线的跟踪能力，保证了遥测数据的接收。

双模导航；遥测；数据提取；自适应跟踪

0 引言

GPS作为全球首个卫星导航系统，在制导武器中占有极其重要的地位，然而也是因为其特殊的战略军事地位，针对GPS的干扰技术也应运而生[1-2]。为了应对这个问题，我国从上世纪八十年代开始着手研制自己的卫星导航系统——北斗卫星导航系统，该项技术已经日趋成熟，并且在军工科研上获得了广泛的应用。目前，利用GPS和北斗双模卫星协同导航的方式越来越多地出现在制导武器中。

而在制导武器的研制过程中，需要各种试验数据作为支撑，一方面实时地为指挥员的决策提供支持；另一方面，通过对数据的事后处理，为制导武器的性能分析和特殊情况下的故障排查提供依据，这些都需要遥测系统为其完成。遥测数据中包含大量的导航信息、控制信息以及武器内部的模拟量信息，对这些数据的准确接收和提取十分重要。

要保证遥测数据的接收，就要求采用可靠的遥测天线跟踪方式，目前主要的遥测天线跟踪方式包括五种：等待跟踪、手动跟踪、程序跟踪、自跟踪和外引导跟踪。针对飞行距离较短，只关心靶区末段遥测数据的制导武器，可以选择等待跟踪，但是该方法无法实现全程的遥测数据接收；针对运动速度较慢，且要求全程跟踪的制导武器，可采用手动跟踪方式，但是该方法对操作人员要求较高，对于运动速度较快的目标无法实现很好的跟踪。针对可预知准确航迹的制导武器，可采用程序跟踪方式，该方法的缺点是一旦目标的实际航迹与理论不符时，将无法获取准确的遥测数据。文献[3—4]提出可通过对信号主副瓣的识别，引导天线进行自跟踪，但是当目标自身信号较弱、周围环境噪声较强或者有遮挡物时，使用该方式容易丢失目标，不适合低角度、远距离、长时间的对目标进行跟踪。文献[5]提出利用监控摄像机结合图像处理系统为云台的控制提供外部引导，这种方法在天气状况欠佳或者距离较远，被测目标特征不明显的状况下无法实现跟踪。文献[6—11]提出利用飞行器上的遥测设备发送GPS位置数据，并将其作为外引导数据源对遥测天线进行控制，该方法相较于现有的跟踪方式，有较强的适应性，引导精度高，但其跟踪方法方式单一，对GPS数据依赖程度高，当GPS信号无效时，则无法对其进行跟踪。本文针对此问题，提出了双模导航武器的遥测天线自适应跟踪方法。

1 遥测车载站组成及工作原理

遥测车载站主要由遥测天馈模块、遥测信号接收/数据处理模块、GPS标校模块组成，其组成如图1所示。

遥测车载站的跟踪天线接收左右旋S波段遥测信号，经LNA、射频切换组合和信道组合完成S波段遥测信号的放大、下变频，输出70 MHz的中频信号。中频遥测信号对应地送至两块遥测数字基带板卡进行数字采样、分集合成、数字基带解调、角误差解调、PCM信号解调，在CPCI工控机上完成遥测数据处理、遥测数据显示、存盘和数据挑路输出。同时天线捕获的目标角误差信号输出到ACU组合，ACU组合进行天线跟踪解算并控制天线完成对制导武器的跟踪功能。

2 自适应天线跟踪方法

2.1 总体框架

自适应天线跟踪方法是通过对遥测数据进行实时解算处理，提取出武器的GPS和北斗导航位置信息，计算出目标相对于观测点的俯仰、方位角，自适应地对其进行过滤，选择合适的引导方式，并通过网络控制天馈系统对空基精确制导武器进行跟踪。其实现的总体框架如图2所示。

图2 遥测车载站自适应天线跟踪方法总体框架Fig.2 General Framework of adaptive tracking technology on the telemetry vehicle antenna

2.2 跟踪方式

本文基于遥测车载站平台，主要研究其在GPS和北斗双模导航空基制导武器的挂飞和靶试试验中的应用，重点采集武器挂飞过程中及机弹分离前后的数据。

根据试验的特点，跟踪方式采用等待和自适应跟踪结合的方式。具体的跟踪方式如下：

1)遥测车载站天线对准载机预设航迹方向，等待武器进入数据接收区域，天线开始跟踪；

图3 遥测车载站天线跟踪方式Fig.3 Tracking mode of the telemetry vehicle antenna

2)接收空基精确制导武器下发的遥测数据，从中提取出GPS和北斗的位置信息，并计算出基于GPS位置信息的遥测天线跟踪角和基于北斗位置信息的遥测天线跟踪角；

3)选取合适的俯仰角、方位角转动阈值，通过当前遥测车天馈系统提供的天线转动角信息，并将GPS跟踪角和北斗跟踪角分别与天线转动角进行比较，判断其是否大于俯仰角或者转动角阈值；

4)根据3)的判断结果，自适应地选择采用GPS、北斗位置信息组合跟踪，GPS位置信息跟踪、北斗位置信息跟踪或者是遥测车自跟踪方式。

2.3 遥测数据坐标转换

从遥测数据中解析出的GPS和北斗导航位置数据，需要通过坐标转换后才能提供给天馈系统进行跟踪控制。处理方法如下：

遥测数据中的位置信息格式为P[经，纬，高]。在该坐标系下遥测车布站点的位置可表示为P观测[B1，L1，H1]，制导武器的位置可表示为P武器[B2，L2，H2]， 可将该坐标系下的位置信息P[经，纬，高]换为空间直角坐标系下的坐标S′[东，北，天]，有

(1)

(2)

图4 观测空间坐标系Fig.4 The observation spatial coordinates

再将观测空间坐标系下的S武器[x1，y1，z1]转换为极坐标系下的λ[方位角，俯仰角]，则可以得到武器相对于观测点的方位角和俯仰角λ[β，α]，转换公式如下：

(3)

(4)

需要说明的是当GPS与北斗采用协同导航时，GPS卫星导航系统使用的是WGS-84坐标系，北斗卫星导航系统使用的是CGCS2000坐标系，两者之间存在厘米级的差距，在遥测天线外引导控制分析时可忽略不计，认为两者参照同一坐标系。

2.4 自适应跟踪阈值计算

如图4所示，武器相较于观测点的水平距离τ水平和总距离τ，有

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，t为遥测数据包更新周期，是已知特定值。

2.5 遥测车载站天线控制

引导数据通过UDP点对点方式与天控系统进行通信。两者之间的通信遵循表1所示数据帧格式。

表1 天线控制通信数据帧格式

2.6 自适应天线跟踪具体实现方法

遥测车载站天线自适应跟踪具体实现方法如下：

步骤1：输入当前观测位置的位置信息P观测；

步骤2：利用遥测车载站接收制导武器下发的遥测数据，从数据池中读取共享数据；

步骤3：对读取的数据进行校验，挑路，分包得出GPS及北斗定位数据所在的遥测数据帧；

步骤4：根据遥测协议，对遥测数据帧进行解析，挑选出制导武器的实时GPS及北斗的定位数据；

步骤5：分别根据GPS和北斗的位置信息PGPS、PBD2和观测点的位置信息P观测，计算出遥测GPS跟踪角λGPS和北斗跟踪角λBD2；

步骤6：获取遥测天线反馈的天线转动角λ当前，并且计算GPS偏离角ΔλGPS=λGPS-λ当前和北斗偏离角ΔλBD2=λBD2-λ当前；

步骤7：若ΔλGPS的方位角小于方位角阈值Δβ阈且俯仰角小于俯仰角阈值Δα阈时，认为GPS卫星定位数据有效，置标志字flag_GPS=1，否则置标志字flag_GPS=0；

步骤8：若ΔλBD2的方位角小于方位角阈值Δβ阈且俯仰角小于俯仰角阈值Δα阈时，认为北斗卫星定位数据有效, 置标志字flag_BD2=1，否则置标志字flag_BD2=0；

步骤9：若flag_GPS=1且flag_BD2=1，则跟踪偏离角Δλ=(ΔλBD2+ΔλGPS)/2，error_Num=0；若flag_GPS=1且flag_BD2=0，Δλ=ΔλGPS, error_Num=0；若flag_GPS=0且flag_BD2=1，Δλ=ΔλBD2, error_Num=0;若flag_GPS=0且flag_BD2=0,Δλ=Δλ原，error_Num ++;

步骤10：若error_Num≤3,控制遥测天线转动Δλ[方位角，俯仰角]，若error_Num>3,认为GPS和北斗卫星定位数据都被干扰，转遥测天线自跟踪模式。

3 试验验证

在实际应用当中，对遥测天线跟踪方法进行改进，依次使用了自跟踪加手动跟踪方法、GPS外引导方法、自适应天线跟踪方法，对武器挂飞过程中及机弹分离前后的数据进行采集，试验结果如下。

采用遥测天线自跟踪加手动跟踪方法对空基精确制导武器进行跟踪的位置信息如图6所示。

图6 自跟踪加手动跟踪方法跟踪武器位置信息图Fig.6 Location information obtained by autotracking go with manual tracking mode

由图6可见，当武器在受到载机遮挡或者位于遥测天线低仰角方位时，采用遥测天线自跟踪方法对其进行跟踪很容易丢失目标，需要频繁地采用手动跟踪的方式对遥测天线进行校正。因此，采集到的武器位置信息有大量断点。

采用武器GPS数据作为外引导数据源，弹道末端加入GPS卫星干扰器情况下跟踪到的位置信息如图7所示。

由图7可见GPS外引导方法可以在一定程度上克服低仰角和载机遮挡对跟踪造成的影响，但是在施加GPS卫星干扰后，则无法再对武器进行跟踪。

图7 GPS外引导方法跟踪武器位置信息图Fig.7 Location information obtained by GPS indication mode

采用自适应天线跟踪方法，弹道末端先后加入GPS卫星干扰器和北斗干扰器情况下，跟踪到的位置信息如图8所示。

图8 自适应天线跟踪方法跟踪武器位置信息图Fig.8 Location information obtained by adaptive tracking technology on telemetering antenna

试验结果表明，自适应天线跟踪方法在施加GPS卫星干扰和北斗干扰的情况下，可以很好地对武器进行跟踪。

4 结论

本文提出了双模导航武器的遥测天线自适应跟踪方法。该方法通过对双模导航武器遥测数据特征的分析，提取出武器的GPS和北斗导航位置信息，计算出目标相对于观测点的俯仰、方位角和相应的跟踪阈值，自适应地对其进行过滤，选择合适的引导方式，并通过网络控制天馈系统对空基精确制导武器进行跟踪。试验验证表明，该方法有效地提高了遥测天线的跟踪能力，保证了遥测数据的接收，现已应用于某型号项目中，为其试验的开展提供了有力保障。

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NavigationWeaponAdaptiveTrackingwithDual-modeTelemeteringAntenna

XU Jibin，RAN Yuzhong，GUO Huiping

(Changsha Mechanical and Electrical Products Research and Development Center, Hunan Vanguard Group Co, Ltd., Changsha 410100, China)

The traditional tracking technologies on telemetering Antenna have some defects, such as mode singleness, high GPS dependence，no anti-interference ability on GPS. Aimed at these problems, a dual-mode navigation weapon adaptive tracking technology on telemetering antenna was proposed. The method analyzed telemetering data feature of dual-mode navigation weapon; extracted the location information from GPS and BD2 data; third, calculate the pitch angle and the azimuth angle, then chose the best guided method to tracking the dual-mode navigation weapon. This tracking technology made full use of GPS and BD2 location information, and to guarantee the telemetering data acceptance.

dal-mode navigation；telemetering; data extraction; adaptive tacking tchnology

2017-03-13

:国防基础科研项目资助(A1020133091)

:许吉斌(1987—)，男，湖南邵阳人，硕士，工程师，研究方向：遥测技术、地面检测技术。E-mail:185854616@163.com。

TP29

：A

：1008-1194(2017)04-0072-05