一种小型化炮弹落点定位系统设计

马游春，张琦琪

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）

在进行靶场测试时，由于炮弹在飞行过程中有大量的飞行数据，需要对测试的炮弹进行回收[1-3]。因此，确定炮弹落点在整个实验过程中起着至关重要的作用。但是，传统的寻找炮弹落点的方法主要通过人工搜寻，由于炮弹落点的不确定以及地理位置的遮挡，比如隐藏在灌木丛中或者渗入沙地，都会对人工排查带来巨大的挑战，搜寻过程会很困难[4]。在炮弹发射过程中，发射弹道是固定的，飞行过程可能出现偏差，但是飞行方向不会出现较大变化，整个炮弹的落点位置可能为朝前方向的扇形，这就为整个方案设计简化了步骤。

该文提出了一种快速确定炮弹落点的方法——采用定位模块和MESH 组网设计确定炮弹落点信息。在炮弹处装载GPS/北斗双模定位模块和无线通信模块。先在整个炮弹的发射范围内布满无线通信模块，配置相应信息构成MESH 组网模式，在整个炮弹飞行过程中实时定位并以每秒1 次的频率回传定位信息，能够确定整个飞行过程中的位置信息，并可以通过整个飞行过程的定位来确定大致落点位置。同时，还可以在炮弹掉落后实时发送位置信息，方便寻找。结合实际应用背景，由于该信标机需要搭载到炮弹上，对发射端的体积、形状等具有较高要求。

该设计相较于目前火热的北斗短报文传输定位模式[5]，在功耗、成本、设计周期等方面具有较大优势，而且操作简单便捷。北斗短报文定位模式是北斗系统所特有的一种定位模式。相比于GPS 定位系统只能单向地将定位信息从卫星发送给定位模块，北斗短报文可以实现一个双向的传输。这样对于信标机[6]设计来说，安装了北斗定位系统的定位模块，可以将定位信息通过卫星传输到任意地方[7]，但是，设计过程较为复杂，成本高。综上，出于成本、体积、功耗等多方面考虑，该设计方法优于北斗短报文设计方法。

1 系统总设计方案

在设计过程中，将定位模块和无线通信模块连接到一起，将炮弹飞行过程中的定位信息通过无线通信模块发送出去，无线通信模块接收到信息，通过FPGA 进行数据解析，将解析出的数据上传到上位机。同时，炮弹在飞行过程中，飞到无线通信模块构成的MESH 组网的范围内，以炮弹（即炮弹上搭载的发射端）为中心，天线传输范围内的无线通信模块都会收到定位信息，然后再以第一波接收到定位信息的无线通信模块为中心，继续覆盖传输，最终传输给终端。该设计分为发射端和接收端，发射端[8]包括定位模块、无线通信模块、电源管理模块以及天线等，接收端模块包括无线通信模块、数据处理模块、电源管理模块以及天线等。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 硬件电路设计

2.1 定位模块

该文选取全星座定位模块ATGM336H 作为该设计的定位模块[9]，ATGM336H 是一款高性能全星座定位导航模块，支持多种卫星导航系统，包括中国的BDS（北斗卫星导航系统），美国的GPS等。ATGM336H包含32 个跟踪通道可以同时接收六个卫星导航系统的GNSS 信号，并且实现联合定位、导航与授时，具有体积小、高灵敏度、低功耗、低成本等优势。而且具有配套的GPS 参数设置软件GNSS 工具，可以直接在上位机上通过软件来调整GPS模块参数，使用起来很方便。ATGM336H 上配置有电池，支持冷启动和热启动两种模式，经实际测试，冷启动定位时间约为36s，热启动约为3～5s。启动时间较短，可以满足定位需求。

在设计过程中，ATGM336H 采用3.3 V 供电，其中2 引脚TX 和3 引脚RX 以及11 引脚RF_IN 作为整个模块的数据收发端口。由于需要选用共形微带天线，此类天线为无源天线[10-11]，而且搜寻装置对定位精度要求较高，因此需要将定位模块接线方法设计为无源接法。在RF_IN 口接入低噪声放大器AT2659，低噪声放大器可以放大天线信号，但是噪声系数很低，有利于接收定位信息同时噪声影响很小。定位模块接线示意图如图2 所示。

图2 定位模块接线示意图

2.2 无线通信模块

该文选用P900 模块作为本设计的无线通信模块。P900 模块尺寸小，搭载在炮弹上具有较大的优势。Microhard P900 OEM 模块是一款工业级高性能无线串口通信模块，支持多种通信模式。P900 工作频率为902～928 MHz，采用调频扩频技术（FHSS）实现可靠的无线异步数据传输[12]。最大发射功率可达1 W，最大传输波特率可达到230.4 kbps。P900 模块稳定可靠，速率高，延时低，数据通信安全性强，抗干扰能力强。P900 模块目前在国内无人机，应急语音通信行业具有非常大的应用前景。在设计过程中，利用P900 模块作为无线通信模块，将定位信息传递给另一个P900 模块，连接上位机读取定位信息。在实际测量中，天线增益为6 dBi时，空速为276 480 bps、功率1 W 和波特率115 200 bps，一端置于高处，可视作无遮挡，传输距离可达到9～10 km。将几种常用的无线通信模块和该设计使用的P900 模块进行对比[13]，比较结果如表1 所示。P900 模块作为收发一体机，利用一根天线，可以接收和发送数据。此通信方式为半双工模式。在P900 模块内部，搭载了射频开关SKY13335-381LF，可以实现天线的分时复用。在通道选择器的作用下，当发送数据时，VCTL1 端给高电平，VCTL2 端给低电平，通道1 接通，通道2 断开，数据通过天线发送出去。在接收数据时，VCTL2给高电平，VCTL1 给低电平，通道2 接通，通道1 断开，数据通过天线接收回来。

表1 无线通信模块对比结果

在P900 模块中，虽然传输距离较远，但是炮弹落点范围大，就需要对P900 模块进行通信范围的拓展，该设计选用通信组网模式。通信组网模式示意图如图3 所示。

图3 通信组网模式示意图

利用MESH 组网模式，可以扩大通信范围。每一个通信模块都可以实现接收和发送数据。电脑端连接任意通信模块都可以接收到数据。在整个通信结构中，不区分主站和从站，每一个模块都是独立的通信个体，只要在自己的信号接收范围内都可以接收来自任意模块发送来的数据。整个实验过程中，在整个试验场地布置好通信模块，设置为组网模式，同时在导弹上携带一个通信模块，导弹进入到组网布控的范围内，就会发送定位信息，然后通过组网的通信传递到各个终端。

2.3 数据处理模块

接收端主控部分选用Altera 公司的cycloneIV 系列的FPGA 芯片EP4CE10F17C8[14],它含有的逻辑单元数为10K，SDRAM 存储器拥有256 Mbit 的资源，最高运行频率166 MHz，并可通过逻辑实现直接驱动，功耗小、体积小、性价比高。它的主要功能是对从接收端的通信模块传输来的数据进行接收、存储、解析和提取，串口波特率设为9 600 bit/s。

2.4 天线

发射端的定位模块和无线通信模块需要天线进行接收以及发送数据，但是由于GPS 天线的工作频段和P900 的工作频段各不相同，所以需要不同的天线，为了减少体积，均选取微带贴片天线。接收端仅有P900 模块需要天线，选取工作频段在900 MHz 的天线即可。定位模块的天线选取微带全向天线，绕着炮弹壳体贴一周，极大地减小了由于天线造成的体积过大和形状不规则对炮弹飞行速度和落点的影响。同理，P900 模块所需的天线同样贴在炮弹壳体表面。

3 软件设计

3.1 数据帧格式

在定位信息中，夹杂着很多不需要的信息，在传输信息的过程中，如果仅传输自己需要的信息，可以大大地减少传输量。在全部的GPS 类型信息中，需要提取出所需要的信息。GPS 信号通过串口以NMEA-0183 标准格式[15-17]输出，NMEA-0183 通信协议提供六种数据格式，分别是GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VTG。为了获得所需要的日期、时间、经度、纬度信息，且减少传输的数据量，该文选取RMC 格式。在RMC 格式中，第一个字段表示的是UTC 时间，即比北京时间晚8 h，顺序按时分秒排列；第三个字段表示纬度的度数；第四个字段表示北纬还是南纬；第五个字段表示经度的度数；第六个字段表示东经还是西经；第九个字段表示UTC 的日期，其他的信息不重要，不予解释。

3.2 数据解析

在发送端，通过配GPS 信息可以单独选择由RMC 格式输出，这样通过TX 和RX 端接口，可以将信息传输给P900 无线通信模块后，由无线通信模块将信息发送到接收端，接收端的通信模块接收到信息并传给主控芯片，然后进行数据解析，将解析后的数据显示出来。定位数据的格式解析部分是程序设计的重点。在接收端接收到定位数据后，通过TX 和RX 传输到串口内，串口首先进行初始化，检测串口是否打开，打开就检测波特率是否一致，如果没打开就重新返回检测是否打开串口。波特率如果一致，就进行下一步监听串口，如果不一致，返回上一步。监听串口监听到了数据，就检测帧头，如果没监听到数据，就继续监听。检测到了帧头，就进行解析数据，如果未检测到帧头，就继续检测。解析好的数据包括经度、纬度和时间信息。数据解析流程图如图4所示。

图4 数据解析流程图

4 系统测试

由于实验条件有限，没有进行实弹测试，选择在学校内进行定点定位测试系统功能。在上位机端显示的页面如图5 所示，表示无线通信模块接收到数据后经过解析后的结果，可以清晰地给出日期、UTC时间、经度和纬度，一目了然地观察到目标所在的位置信息。

图5 炮弹落点位置信息显示页面图

无线通信模块接收到的数据未解析的实验结果如图6 所示。在上方框内显示的即为RMC 格式数据在ASCII 码下的显示结果，下方显示的是RMC 格式数据在16 进制下显示的结果。在ASCII 码中，$GPRMC 转换为16 进制表示成24 47 50 52 4D 43，此为识别的帧头。根据第一个框中显示083757.000，A，3800.83559，N，11226.77062，E 表示为现在的UTC时间为8 时37 分57 秒，定位为有效定位，纬度为北纬38.008 355 9°，经度为东经112.267 706 2°。第二个框中16 进制数表示的是现在的UTC 时间为8 时37分58秒，定位为有效定位，纬度为北纬38°008 355 6°，经度为东经112.267 706 3°。经两次数据对比可以得知数据发送频率为每秒1 次，满足通信频率要求。根据定位信息，就可以定位到炮弹所在位置。

图6 无线通信实验结果图

经过网络查询，学校内定点定位测试位置的经纬度信息为东经112.459 700 38°，北纬38.021 042 8°，与实际测得的东经112.267 706 3°，北纬38.008 355 6°误差较小，符合定位精度要求，证明了该方法的可行性和正确性。在最终的设计结果中，发射端的体积仅为35×26×6 mm3，具有小型化的特点。同时，在正常通信过程中，发射端系统供电电压为7.4 V，电流为0.33 A，计算的功耗仅有2.442 W，兼具了低功耗的特点。

5 结论

针对炮弹发射后落点的位置信息不能及时传递和炮弹无法快速回收的问题，设计了一种快速定位炮弹落点位置信息的信标机。该文所设计的信标机不仅能够快速定位到位置信息，还能在飞行过程中实时传递位置信息。不受炮弹落点影响，操作方便，极大地提高了炮弹搜寻的精确度，快速地回收弹载记录仪。并且该信标机设计以体积小、功耗低、成本低为特点，具有广泛的实际应用价值和可行性。