基于北斗定位的数字弹道系统关键技术设计研究*

郑世明，张永亮，高 歆，朱 江,黄炎焱

(1.陆军指挥学院，江苏 南京 210045；2.陆军工程大学指挥控制工程学院，江苏 南京 210007；3.南京理工大学，江苏 南京 210014)

随着联合火力战、信息火力战等新型作战样式登上战争的舞台,炮兵对火力反应时间、精确打击能力、远程打击能力等提出了更高要求,但炮兵的精确打击和远程校射等方面仍然面临诸多挑战。为满足信息化作战过程中火力打击任务的需要,迫切需要研制一种新型的远程数字弹道(侦测校射弹)系统,重点解决远程火炮精准校射的问题。

1 问题提出

从研究进展看,炮兵火力校射还存在以下几个问题亟待解决:1)现有的研究成果只适用于常规火炮校射,而无法解决对远程火炮校射的弹道精确修正问题;2)尚未突破基于北斗定位导航的高动态条件下弹道参数实时精确探测的问题;3)在作战运用上,未充分考虑全程应用弹道参数进行炮兵侦测校射的问题;4)单独通过北斗卫星进行回传完成校射,火力反应时间相比于传统的校射方式降低得比较有限。

基于以上考虑,为克服悬浮电视侦察弹战场环境适应能力弱,炮兵侦察校射雷达成本高、易暴露、保障任务烦琐,以及炮兵侦察校射设备保障任务繁重等问题,并针对远程炮兵武器系统射弹散布大等实际情况,采用基于北斗的弹道探测技术,研究和设计数字化的远程校射弹。从技术实现途径上看,可以基于现有库存的弹种改装实现,通过炮兵数字化原型弹设计及其关键技术方法研究,以期能够为高精度、高可靠性的校射弹研制提供先期技术准备和方法验证。

2 基本原理

基于数字弹道的校射弹武器系统,通过与炮兵指挥系统综合集成,融合北斗导航定位技术、炮弹轨迹无线测量技术、高动态定位与回传技术、弹载天线设计技术、动态信号跟踪、信息处理技术、炮弹实时解算技术等,实现对全弹道进行跟踪与探测,为炮兵效力射提供稳定、可靠和精确的射击开始诸元。其工作原理和解决思路如下:利用北斗差分定位技术和惯导技术,实时探测校射弹空中弹道,获取弹道参数,尔后,基于弹道无线测量技术、高动态定位与回传技术等将弹道参数发射出去,同时对无线信号进行实时捕获,地面弹道计算机利用预存的弹道修正模块,基于卡尔曼滤波方法对弹道探测数据进行处理,利用2/3-3/4弹道区间的弹道参数进行模型解算,基于精确弹道外推方法预测弹丸落点坐标,获得外推弹着点与目标点的射击诸元修正量(表尺与方向修正量),并将结果传至与之并网的炮兵指挥控制系统,得到效力射的射击开始诸元,引导炮兵火力打击单元及时实施效力射,如图1所示。

图1 炮兵侦测板射武器系统原理

3 关键技术与设计

实现上述炮兵远程精确校射过程,需要突破热启动、弹载卫星天线、高动态定位与测速、弹载无线电发射等关键技术,确保弹道参数等数据的精确获取、及时发出和准确接收。

3.1 热启动技术

为了快速获取C码,采用热启动的方式实现对卫星信号的捕获,以缩短信号获取时间。热启动时,本机保存之前一段时间内的卫星星历、历书、时间、用户位置等有用信息,以此推算出当前时刻的卫星星历、历书,根据卫星星历和用户位置计算出卫星信号的多普勒漂移及到用户的传输时延,引导捕获一颗仰角高的卫星,捕获后可以得到带传输时延的北斗,知道用户位置和卫星的星历,计算出传输时延,只要一次并行捕获就可搜索完码相位,因为能比较准确地估计出用户到卫星的多普勒频移,捕获时不用再进行频域搜索,因此能快速实现后续卫星的捕获,捕获流程如图2所示。

图2 热启动捕获策略

3.2 弹载卫星天线技术

炮弹上由于其体积较小,如果无线发射机频率较低可能会导致天线尺寸过长,难以集成到弹体上,所以本无线系统的工作频段设计在5 GHz左右,波长为60 mm,天线尺寸在20～30 mm尺度上,易于集成到炮弹上。

为了确保炮弹在高速飞行过程中定位和测速的精确性,弹上天线必须以轴线为标准360度全向覆盖,采用弹上天线与弹体共形的方式,实现高增益,无死角。通过综合分析,采用双天线结构、背对安装实现全向覆盖,天线选择易共形的微带贴片天线,天线模型见图3。图中,向为炮弹的轴向,即运行前方。圆柱体模拟炮弹的弹体部分(不包括弹头),双天线位于圆柱体的上、下两端,向记为上。当炮弹高速旋转时,双天线交替工作。

图3 北斗双天线模型

3.3 高动态定位与测速技术

北斗卫星导航系统空间段由GEO、IGSO和MEO等不同卫星组成。GEO、IGSO和MEO卫星上均配备RNSS载荷,每颗卫星均连续广播三个RNSS导航信号(B1、B2、B3),每个导航信号均正交调制有普通测距码(I支路)和精密测距码(Q支路)。由于炮弹是一次性使用,为了降低成本、避免涉密单元精密测距码PRM模块和保密芯片使用,这里使用B3频点C码捕获、跟踪、解算。

炮弹发射是一个高过载的过程,发射瞬间加速度可达5 000以上;速度快,约1 500 m/s左右、高速自转300转/秒、飞行时间短,因此需要在抗过载、高动态、捕获时间短、自旋过程情况下能始终接收到卫星信号,并具备实时定位、测速的能力。这就需要在保证同等重量且弹道性能不变的条件下,结合北斗卫星导航定位技术,解决在大过载、高速旋转飞行条件下的实时精确定位与测速。

高动态定位与测速系统由天线模块、变频模块、数字处理模块、接口、时钟模块、电源模块等构成,其组成框架如图4所示。

图4 高动态定位与测速系统组成框图

天线模块由RNSS/B3天线、B3频点LNA组成;变频模块由RNSS变频模块,完成接收射频信号到中频信号的频谱搬移;数字处理模块完成接收信号的捕获、跟踪、解调、信息处理、应用处理等功能,该模块由以FPGA、DSP处理器为主的数字处理芯片构成;接口主要用于定位、测速数据输出,可以与无线发射模块相连,并经无线发射系统传回地面。

但在低信噪比、高动态性,并且实时性要求很高的情况下,要完成精密测距码(P码)的快速捕获十分困难,如采用常规的串行搜索方法,捕获时间无法忍受。这里采用大规模的FPGA+DSP来构建专门的捕获模块来完成北斗B3/C码的捕获。根据时域循环卷积等价于频域相乘来降低捕获时的运算量,由A/D采样进来的数据经过数据前端处理后下抽到2倍的码片速率,通过FFT运算变到频域,利用时域的复指数相乘等价于频域偏移,可以方便完成系统频差的搜索。P码直接捕获的原理如图5所示。

图5 P码并行捕获过程原理图

捕获时信号处理流程如下:

1)采样与FFT运算。中频信号采样后经数字正交下变频、下抽到两倍码片速率交给FFT模块,对数据进行分段处理,分段的长度L决定一次并行运算的长度;

2)干扰消除。将长度L的数据变换到频域后,如果信道上存在窄带干扰,在干扰消除单元可以采用频域干扰消除算法消除窄带干扰的能量,提高捕获概率;

3)频差扫描。对数据的频域信号进行移位来实现捕获时的频率搜索;同时,根据当前要搜索的时间不确定度及卫星改变PRM模块参数,输出需要捕获的地址码;

4)IFFT运算。对经过重叠相加的地址段进行FFT运算,并取其复数共轭,将数据段和地址段的FFT结果在频域相乘,并进行IFFT运算;

5)模值计算。对IFFT的结果取模值,存储结果,送至后续处理单元;

6)信号捕获判决。完成多帧非相关累加后进行捕获判决,找出累加后一帧中最大点与设定的门限比较,如果高于门限值,则进入消除峰值多样性处理单元;

7)地址码核验。捕获点对应于多段地址码空间,利用常规的直接串行相关法对每段地址进行检查,找到真正的码相位,交给后面的跟踪支路。

3.4 弹上无线电发射技术

在传统无线发射机中,存在晶体振荡器等各种各样的滤波器,这些滤波器晶体振荡器在常温常压下工作没有任何问题,野战环境下对系统所处的环境要求非常高。首先要解决强冲击环境下的正常运行问题,在这种环境下一般的石英晶体电路、声表面滤波器以及各式线绕电感线圈均会受到不同程度的损坏。采用基于微电子技术的振荡器芯片,可以承受约50 000的冲击,基本可以满足炮弹发射机的频率基准要求。

为了使无线发射系统适应恶劣环境,发射机调制方式采用数字FM方式,采用IQ直接调制方式可省去一系列的频率变换滤波环节,提高发射机可靠性,发射机系统如图6所示。

图6 无线发射机系统

由图中可以看出,发射机是纯数字化的FM调制,由于数字化集成度较高,可以避免使用一些易受冲击损坏的线圈电感等,同时上述配置的FM调制还可以在一定的频带内实现跳频传输,具有一定程度的保密性。MCU(单片机)用来配置一些发射机的基本参数。为了抵抗热冲击以及机械冲击,发射机可以被安放在一个具有刚性结构的空间里,充惰性气体封装。

弹上无线发射系统中的天线采用缝隙天线。缝隙天线的最大好处就是可以与导体外平面共面集成,同时也不改变外平面的气动布局。为了能够有效地跟踪炮弹的运行轨迹,其天线的设计应该是主瓣方向尽可能与安装在火炮的接收机方向一致,提高电磁波接收效率,对应的天线缝隙安装在如图7所示的弹体底部。而炮弹在发射过程时,由于初始化发射的一瞬间温度以及压力都非同寻常,若缝隙后面的谐振腔是空心的,那么火药化合物燃烧的巨大压力以及热量会将空心的谐振腔烧毁。须将缝隙后面的谐振腔实施介质填充,可以采用一些耐高温的材料如玻璃、陶瓷等,填充之后的缝隙可以抵挡住火药爆炸一瞬间的高温高压。

图7 炮弹在发射过程中的无线发射接收波束

在图7中,无论炮弹在发射初始、中段或者末端,弹上天线始终可以与地面站天线保持良好方向位置,炮弹上天线辐射方向图接近180度,所以地面站始终可以接收到天线信号。为了提高抗干扰能力,地面控制站波束采用中等规模的相控阵技术,可以使用电控波束跟踪轨迹,同时由于波束的高增益可以有效地减少发射功率,可以提高发射隐蔽性。

4 仿真实验与结果分析

通过计算机模拟的方式实现对侦测校射过程的仿真,主要包括弹载卫星天线、炮弹飞行过程(通过增加随机干扰因素代替实际飞行过程中受风速、风向、温度等因素的影响)、炮弹在高动态条件下的定位与测速等方面的仿真。

4.1 弹载卫星天线仿真

对弹载卫星天线的仿真主要围绕炮弹高速旋转时的工作状态情况、天线覆盖范围、VSWR驻波比、天线增益电平和轴比指标等,针对上述指标,进行了部分仿真实验。

图8中,向垂直于纸面向里,左侧向为炮弹上方,右侧为炮弹下方。双天线同时工作时,基本覆盖了方案需要的360度范围。

图8 北斗双天线的三维方向图

图9中,给出了仿真的VSWR驻波比结果,VSWR=1.40,满足天线技术指标VSWR≤2。

图9 北斗双天线VSWR驻波比

图10给出了双天线工作时的0～360度增益曲线,0度(或360度)指炮弹上方,180度指炮弹下方。定位天线正常工作时,天线增益电平必须满足≥-3 dB。图中,天线主增益电平达3.6 dB,增益电平≥-2 dB的角度范围达到了290度,即几乎全覆盖。考虑到炮弹运行中的高速旋转,双天线方案用于实现实时定位,可行性极高。

图10 北斗双天线增益曲线

图11给出了向正侧单天线仿真的0～360度轴比曲线。根据北斗天线工作的技术指标及设计经验,定位天线正常工作时,轴比一般≤5 dB,图中-90～+90度(包括270～360度、0～90度)轴比基本≤2.5 dB,个别点达3 dB。天线轴比性能良好。根据北斗天线工作的技术指标及设计经验,通过对上述指标的仿真,均能达到北斗天线的技术指标要求。

图11 北斗单天线轴比曲线

4.2 高动态定位与测速仿真

在高动态条件下进行定位与测速要求在信号强度为-130 dBm时实现C码直捕,如果接收系统的值取300 K,通过计算得=43.9,由于码片速率为10.23 MHz,扩频信号比噪声低26.2 dB,所以需要比较长的相关长度才能得到足够的信号强度进行捕获。由于信息速率为500 bps,码片速率为10.23 MHz,每个符号对应有20 460个扩频码码片。

由于捕获时有数据调制,相关累加时必须消除数据调制的影响,对此,采用MATLAB/SIMULINK工具,对如何消除调制影响进行了仿真实验。采用特定数据调制的方法对地址码进行消调处理。为便于进行FFT运算,在仿真实验中,相关长度选16 384,相关时间为1.6 ms,处理增益为42,在要求的捕获电平条件下,解扩后的信号为15.8 dB。再减去量化损失(2比特量化)和剩余频差的影响,解扩后最终得到信号的大约为15 dB左右。

由于在进行单次并行运算时,接收信号的信噪比不是很高,为了增加捕获概率,仿真实验过程中,将若干次并行相关运算结果进行非相关累加,仿真结果表明,可以明显改善捕获概率和降低误捕概率。

仿真时数据长度取16 384,扩频码用小m序列,接收时扩频码分段重叠2次,捕获次数400次,考虑接收系统信噪比损失2 dB,仿真结果如图12所示。

图12 捕获概率与C/n0的关系

“0”型曲线代表进行单次运算结果,“△”型曲线代表进行2次非相关累加结果,优于单次运算结果,能满足要求。“*”型曲线代表进行4次非相关累加结果,优于2次非相关累加结果,能满足要求。

另外,在进行地址码扩展重叠复制时,地址码重叠次数的选取很关键,重叠相加的段数越多,一次并行捕获搜索的码相位越多,对接收信号的信噪比恶化越大,需要折中选取,假设重叠次数为,在仿真过程中,通过对选取不同的取值来分析对捕获概率的影响(“0”表示重叠次数=2,“*”表示重叠次数=4),如图13所示。

图13 4次非相关运算捕获概率与重叠次数M的关系

从图13中的仿真结果可以看出,重叠次数增加一倍,接收信号的信噪比下降3 dB,仿真过程中,选4次重叠相加、非相关累加4次这种方式来进行捕获,进行400次捕获仿真,当等于43 dBHz时,捕获概率100%,误捕概率为0,捕获灵敏度优于系统要求。

仿真结果表明其完全能满足系统对C码捕获的性能要求。仿真时数据相关累加长度为4 092,扩频码为小m序列,捕获次数为400次,考虑接收系统信噪比损失2 dB。通过计算完成一颗GEO卫星的捕获时间约为80 ms,完成12个通道总的捕获时间小于2 s。

4.3 侦测校射弹飞行过程仿真

以外弹道理论为基础,通过等效影响炮弹外弹道飞行的不确定因素(如风向、温度、风速等)模拟,运用ACIS造型平台与VC++相结合,设计校射弹外弹道飞行仿真系统,并以仿真的形式实时提供导弹飞行姿态参数,描绘校射弹的飞行轨迹,并及时预测实际弹着点坐标。

校射弹飞行仿真系统包含五部分:模型设定、运动参数设定、运动过程计算、弹道轨迹描绘和可视化显示。模型设定主要是完成对校射弹的基本模型参数设置;运动参数设定主要是完成炮弹的运动方程、弹道飞行参数以及其他影响因素的设置;运动过程计算主要是根据飞行中的炮弹姿态参数变化和飞行时间随机调整各参数,以体现炮弹在飞行过程中和各影响因素的变化;弹道轨迹描绘主要是模拟校射弹飞行的理想轨迹和受各种影响条件下的实际飞行轨迹;可视化显示主要是数字弹道进行可视化呈现。

5 结束语

在分析基于数字弹道的校射弹武器系统基本原理的基础上,对一种新型的炮兵校射武器系统关键技术及设计方法进行了研究,对弹载卫星天线、高动态定位与测速以及校射弹飞行过程进行仿真,验证了结果的可靠性和可行性。这种武器系统的运用可在很短的时间内,不需要在通视条件下就能获取精确的校射结果,满足信息化条件下炮兵快速反应和精确打击的要求。下一步重点围绕弹体工艺设计技术、矩形相控阵技术、数据信号获取与处理技术等进行深化研究,为炮兵新型远程校射弹的研制提供技术支撑。