电磁干扰环境下的引信弹道数据遥测方法

安晓红，王鹏钊，顾 强

(中北大学机电工程学院，山西 太原 030051)

0 引言

遥测技术是一种区别于硬线测试技术和存储测试技术的参数获取方式[1]，它是通过弹上发射装置进行被测参数的采集、调制和发射，通过地面接收装置进行解调、记录和处理的一种数据遥测手段[2-3]。

虽然我国引信遥测技术的应用研究起步晚于国外，但至今也已发展较为成熟[4]。国内研制的8318无线电遥测系统，成功测得全弹道两种弹丸的转速曲线和某引信压电陶瓷电压建立曲线[5]；文献[6]中的小型遥测装置，成功获取了膛内和解爆抛撒及弹丸飞行各阶段引信部位的三轴加速度信号，但都更适用于测试弹丸出炮口后的参数，炮膛发射过程中复杂的电磁环境会干扰无线电信号的传输，可能出现数据丢包情况。

本文针对此问题，提出一种以SX1280无线收发模块为基础，STM32f407ZGT6最小系统板为控制核心的引信数据近程遥测方法，不仅能有效获取引信膛内数据，而且出炮口后外弹道数据也能实时获取，为科研人员分析引信失效故障原因和引信设计改进，提供一种获取数据的参考方法。

1 遥测方案确定

遥测系统由弹载发射装置和地面接收装置组成，弹载发射装置由传感器、单片机、SX1280模块、发射天线、电源稳定供电模块和上位机组成。其中上位机仅在系统调试阶段使用，系统实际应用中无需上位机连接；地面接收端由地面接收天线、SX1280模块、单片机和上位机组成。遥测系统组成如图1所示。

图1 遥测系统总体组成框图Fig.1 Block diagram of the overall composition of the telemetry system

1.1 SX1280模块调制方式选定

SX1280模块为工业级标准设计[7]，采用半双工方式，工作在2.4～2.45 GHz频段，具有传输速率较高的SPI通信协议，为本文方法研究提供了基础保障。该模块内部集成三种调制方式，其调制特点如表1所示，使用结合了前向纠错技术和卷积编解码技术的FLRC调制调制解调器，选用具有最大发射功率的2G4M27S射频模块进行方法验证。

表1 三种调制方式及其特点Tab.1 Three modulation methods and their characteristics

不同数据传输速率匹配不同调制带宽，并不是所有带宽都可以与传输速率自由组合，原始传输速率与带宽组合如表2所示，实际传输速率为原始传输速率与CR的乘积。

表2 传输速率BR和带宽BW的组合Tab.2 Combination of transmission rate BR and bandwidth

FLRC调制解调器通过分别设置CR=1/2、CR=3/4和CR=1控制前向纠错编码率。为得到较大的有效传输速率，通过软件代码设置CR=1，Rb=1.3 Mb/s，BW=1.2 MHz进行方法验证。

1.2 单片机选定

出于成本低、操作方便和开发板集成度高考虑，选用具有168 MHz主频、1 024 KB Flash的STM32F407ZGT6最小系统板[8]为核心控制单元。

1.3 收发天线选定

由于SX1280模块上集成了PCB天线和IPEX天线接口，所以可灵活选用天线。

弹载发射端天线：由于板载PCB天线信号会被弹体遮蔽，故使用微带贴片天线。将其安装于弹头位置，并加装天线罩以承受发射时炮膛内高温、高过载等复杂环境。最终选用工作在700～2 700 MHz频段，增益为10 DBI，阻抗为50 Ω，驻波比小于1.8的FPC天线[9]。

地面接收端天线：地面接收端的天线不受空间限制，可使用满足阻抗匹配要求的任意尺寸天线。本着天线增益越大，传输距离越远考虑，选用工作在2 400～2 500 MHz频段，增益为30 DBI，驻波比小于1.8，阻抗为50 Ω的2.4 G天线[10]。

1.4 传感器选定

选用六轴MPU6050模块。该模块整合三轴陀螺仪和三轴加速度传感器，同时带有温度传感器[11]，满足该方法验证要求。

1.5 供电模块选定

出于实验室内和室外场地遥测方法测试需求考虑，选用由3节18650锂电池组成的12 V锂电池组[12]，其具有体积小、移动方便的特点，便于在室外场合移动。

2 遥测方法

该遥测系统由弹载发射装置和地面接收装置组成，需实现在发射信号屏蔽的情况下有效接收引信测试数据，当炮弹发射出炮口一段距离后，将信号屏蔽时的测试数据回传到地面接收端，同时不能干扰实时数据的同步接收。基于上述遥测方法，本文遥测系统工作流程如图2所示。

图2 遥测系统流程图Fig.2 Flow chart of telemetry system

弹载发射端：当射频信号被屏蔽，不能检测到接收端发出的标志位[1]=8时，将测试数据循环记录50个周期，一次性存储在Flash中，Flash闪存可以起到数据断电不丢失的作用；恢复供电或恢复信号接收，检测到标志位[1]=8时，停止数据存入Flash操作，进行Flash读取操作，每个数据周期Flash存储的数据以36位为一组进行读取，在实时测试数据之后，添加Flash数据标志位55，并将36位读取数据附加其后，一起发送出去，数据位数情况如表1中位0至位63所示；当Flash中读取的数据全部发送完成后，不再进行Flash相关操作，弹载发射端恢复到实时发送测试数据状态，实时测试数据后不再添加标志位，数据位数分布情况如表1中位0至位26所示。

表1 64位测试数据分布情况Tab.1 Distribution of 64 bit test data

地面接收端：设备上电初始化完成，地面接收端与弹载发射端数据标志位匹配成功之后，首先进行循环接收检测，当检测到来自弹载发射端的发送控制位[0]=1时，地面接收端发送数据标志位[1]=8，之后进行数据长度位检测，检测到接收到的数据长度位[1]=27或64时，串口打印接收到的所有数据。

所有参数均以整数位显示，如为负值，在前置1；为正值，在前置0。[0]位：设置1表示发送数据，设置2表示应答成功。[1]位：设置数据长度为27或64。[2]位：从1开始周期计数。[3][4][5]位：温度值，精度为0.1，占据三个长度，例如温度24.3 ℃对应[3]=0、[4]=24、[5]=3。三轴欧拉角度各占据三个长度，精度为0.1，例如俯仰角-1.1，横滚角12.2，对应[6]=1，[7]=1，[8]=1,[9]=0，[10]=12，[11]=2。三轴加速度和三轴陀螺仪各占据两个长度，精度为整数。

3 遥测方法测试

使用铁盒将弹载发射端的天线盖上，模拟发射端射频信号被屏蔽的环境，在室外人员稀少的空旷环境中进行测试。串口打印均使用sscom5串口调试软件进行，下面仅截取部分状态图进行介绍。

3.1 遥测系统工作状态验证

3.1.1 弹载发射端

当弹载发射端的射频信号被屏蔽，接收端不能有效接收到射频信号时，发射端进行测试数据循环记录操作，原始数据如图3所示，当记录到第50组时，50组数据一次性存入Flash中，Flash存入数据如图4所示。

图3 原始数据Fig.3 Raw data

图4 存入Flash数据Fig.4 Store Flash data

当接收端接收到射频信号并匹配成功时，发射装置不再进行Flash数据存入操作，只进行Flash数据读取操作，每个数据周期依次从Flash中读取36位，如图5所示。

图5 Flash中读取36位数据Fig.5 Read 36 bit data in Flash

当Flash数据全部读取完成后，继续实时发送测试数据，如图6所示。

图6 实时测试数据Fig.6 Real-time test data

3.1.2 地面接收端

当接收端与发射端射频信号通信成功，数据位数匹配成功时，接收端最先接收到的是带有Flash读取数据的数据包，如图7所示。

图7 Flash读取数据接收图Fig.7 Flash read data receiving diagram

当Flash存储数据全部读取并发送完成后，恢复到测试数据实时接收状态，如图8所示。

图8 实时测试数据接收图Fig.8 Real-time test data receiving diagram

综上所示，经过验证和数据对比，接收端接收到的测试数据与发送端发送数据均一一对应，准确无误，该方法可有效解决炮弹引信数据靶场遥测时，接收端因炮口复杂电磁干扰导致数据包不能及时接收的问题。

3.2 误包率测试

误包率为接收端丢失数据包数量与接收端应接收数据包总数量的比值。接收端丢失数据包数量等于发送端发送数据包总数减去接收端接收到的数据包总数，接收端应接收总数据包数等于发送端发送数据包总数。

因SX1280模块发送和接收数据以8位传输，最大计数至255，所以在弹载发送端设置一个16位的数据包计数值，使其与8位计数值同步计数。地面接收端接收到的每组数据包的第3位为数据包数，将其与发送端的数据包同步计数值对照，可得出16位的数据包数值，该值为发送端发送数据包总数，也称接收端应接收数据包总数量。

通过软件判决的方式，将数据包数与上一组数据包数进行对比，如果本组数据包数不等于上一组数据包数加1，则出现接收漏包或重复接收现象，在此基础上，如果本组数据包数等于上一组数据包数，记为数据包重复接收一次；如果本组数据包数与上一组数据包数差值为2，则出现接收漏包现象，如果差值为3，则连续漏包两组。接收端漏包总数除以接收端16位计数的应接收总数据包数，得出遥测系统误包率。

发送端16位同步数如图9所示，接收端漏包总数和重复总数如图10所示。

图9 发送端16位同步数Fig.9 16 bit synchronization data at the sender

图10 接收端漏包总数和重复总数Fig.10 The total number of missed packets and the total number of duplicates at the receiving end

如图10中接收数据包数为第244组，对应图9中发射端16位同步计数值500，得出接收端漏包总数为0个，重复总数为3个，即漏包率为0，重复率为0.6%。

3.3 传输距离测试

设置CR=1，分别在传输速率为2.6、2.08、1.3和1.04 Mb/s条件下进行测试，测试误码率在1%以下为最优通信距离，误码率在10%以下为最远通信距离。

发射端在前方人为距离移动，发射端和接收端数据传输距离使用百度卫星地图记录两端最远传输距离。在相同环境下，分别进行四种传输速率条件下的数十次测试，最终得出传输距离和误码率关系，测试结果如图11所示。

图11 不同传输速率下传输距离和误码率关系Fig.11 The relationship between transmission distance and bit error rate under different transmission rates

测试结果表明：2.6 Mb/s传输速率时最优传输距离接近320 m，最远传输距离接近570 m；2.08 Mb/s传输速率时最优传输距离接近410 m，最远传输距离接近640 m；1.3 Mb/s传输速率时最优传输距离接近510 m，最远传输距离接近900 m；1.04 Mb/s时最优传输距离接近590 m，最远传输距离接近1 000 m。

综上可知，设置有效传输速率为1.3 Mb/s，地面接收装置每700 m左右分段布置时，可有效可靠地接收弹载引信测试数据，达到最佳测试效果。

4 结论

本文提出电磁干扰环境下的引信数据遥测方法。该方法从软件层面进行设计，依次对炮弹出炮口的射频信号被屏蔽，接收端不能有效接收射频信号阶段，出炮口一段距离，恢复射频信号通信阶段，Flash存储数据全部读取完成阶段，进行了一系列遥测系统工作逻辑设计和实现。试验测试结果表明，该遥测方法可有效解决炮口电磁干扰环境下射频信号被屏蔽时，引信弹道数据不能完整有效接收的问题。对炮弹引信数据靶场遥测系统的功能进行了拓展，为电磁干扰环境下获取引信弹道数据提供了有效方法。