空空導(dǎo)彈GPS飛行軌跡軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張建學(xué)

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽(yáng) 471009）

空空導(dǎo)彈的研制過(guò)程中需要在靶場(chǎng)進(jìn)行大量的發(fā)射試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中遙測(cè)是最為重要的測(cè)試手段，通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)可以“透明”地了解導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中的參數(shù)變化。隨著中遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈研制的啟動(dòng)，傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)將受到挑戰(zhàn)，GPS彈道測(cè)量將作為一個(gè)主要的測(cè)量手段，成為靶場(chǎng)空空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)的基本配置[1]。

在飛行試驗(yàn)中，需要精確測(cè)定彈道飛行軌跡，使用光測(cè)系統(tǒng)測(cè)量導(dǎo)彈軌跡，對(duì)氣象條件要求高、處理時(shí)間長(zhǎng)[2]。隨著空空導(dǎo)彈中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈研制，對(duì)導(dǎo)彈彈道測(cè)量提出了更高的要求，全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)發(fā)展，為導(dǎo)彈測(cè)量提供了一條新的途徑[3]。GPS技術(shù)用于導(dǎo)彈測(cè)量和靶場(chǎng)監(jiān)測(cè)，具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、精度高、受氣象環(huán)境影響小，節(jié)省設(shè)備、人員，數(shù)據(jù)處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對(duì)中遠(yuǎn)程制導(dǎo)飛行器飛行軌跡的全程連續(xù)測(cè)量，是其他系統(tǒng)無(wú)法比擬的[4]。

1 軟件需求

該軟件實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)、解算由網(wǎng)絡(luò)傳送來(lái)的GPS數(shù)據(jù)和試驗(yàn)彈參數(shù)，在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)彈的飛行軌跡和飛行參數(shù)，主要功能需求如下：

1）實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)、解算由地面站網(wǎng)絡(luò)端口傳送的GPS數(shù)據(jù)；

2）實(shí)時(shí)顯示載機(jī)的三維坐標(biāo)、3個(gè)方向上的速度、時(shí)間、方位、高度等飛行參數(shù)；

3）可以使用電子地圖作為顯示系統(tǒng)的背景，也可以制作有簡(jiǎn)單地標(biāo)組成的地圖作為顯示背景，顯示時(shí)自動(dòng)剔除誤碼。在電子地圖上顯示空空導(dǎo)彈的飛行軌跡和其他參數(shù)，顯示比例圖可以放大縮小；

4）采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)[5]，可實(shí)現(xiàn)事后數(shù)據(jù)讀取和重放；

5）用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式，將全部信息傳輸至第二顯示終端，為領(lǐng)航、決策提供依據(jù)。

2 軟件設(shè)計(jì)

該軟件利用多線程[6]技術(shù)實(shí)時(shí)接收遙測(cè)地面站發(fā)送的數(shù)據(jù)包，擁有數(shù)據(jù)包預(yù)處理、顯示、存儲(chǔ)。該軟件采用圖形化用戶界面，具有以下特點(diǎn)：

1）功能區(qū)域劃分清楚 界面分為信息輸入?yún)^(qū)、功能操作區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、狀態(tài)提示區(qū)等分區(qū)，一目了然；

2）操作簡(jiǎn)單 功能操作區(qū)采用“一鍵實(shí)現(xiàn)功能”的設(shè)計(jì)，易于上手；

3）信息顯示直觀 在數(shù)據(jù)顯示區(qū)域針對(duì)不同參數(shù)的不同特點(diǎn)選用適當(dāng)?shù)娘@示方式，如：衛(wèi)星位置、速度、信噪比信息采用數(shù)值顯示，飛行軌跡采用圖形曲線顯示；

4）附加功能便利用戶 軟件初始化時(shí)直接讀取配置文件中記錄的歷史GPS基準(zhǔn)值、數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)路徑等信息，避免每次運(yùn)行時(shí)用戶都要重復(fù)設(shè)置。

為了滿足各項(xiàng)功能需求，在重點(diǎn)考慮應(yīng)用軟件可靠性的同時(shí)，還應(yīng)兼顧軟件的可擴(kuò)展性等其他需要，因此采用模塊化的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將軟件劃分為若干功能模塊，包含I／O設(shè)置、顯示電子地圖、事后數(shù)據(jù)重放、GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理、GPS信息處理、GPS數(shù)據(jù)顯示及第二終端發(fā)送等模塊，其系統(tǒng)軟件示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件示意圖Fig.1 Block diagram of system software

3 軟件實(shí)現(xiàn)

Visual C++是一個(gè)功能強(qiáng)大的面向?qū)ο蟮目梢暬瘧?yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具，是計(jì)算機(jī)界公認(rèn)的最優(yōu)秀的應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具之一。在提供可視化的編程方式的同時(shí)，Visual C++也適用于編寫(xiě)直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行底層操作的程序，生成代碼的質(zhì)量也優(yōu)于其他的開(kāi)發(fā)工具。它提供的AppWizard能自動(dòng)生成應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)框架，大大減輕了編程的工作量，使得程序員從大量的復(fù)雜勞動(dòng)中解脫出來(lái)，體會(huì)到真正的程序語(yǔ)言的強(qiáng)大功能和良好的靈活性。文中主要介紹如下的編程技巧：用鼠標(biāo)單擊窗口標(biāo)題條以外區(qū)域移動(dòng)窗口、顯示旋轉(zhuǎn)文本、使用上下文菜單。

“事后數(shù)據(jù)回放”功能是將導(dǎo)彈飛行過(guò)程中的保存的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放分析。這是在試驗(yàn)操作過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，回放是對(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程的重演，調(diào)入飛行記錄文件后可以進(jìn)行播放，播放的模式有3種，即正常、單幀和快速。飛行任務(wù)結(jié)束后，通過(guò)保存的數(shù)據(jù)文件可以在地圖上任意重新顯示導(dǎo)彈的飛行軌跡，數(shù)據(jù)回放處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)回放流程圖Fig.2 Flow chart of data replaying

“GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理”功能為從接收的遙測(cè)數(shù)據(jù)找出GPS數(shù)據(jù)并判斷GPS信息幀。因?yàn)檫b測(cè)發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容根據(jù)同步碼來(lái)判別，首先剔除誤碼，然后提取GPS數(shù)據(jù)包，每次運(yùn)行軟件將自動(dòng)生成臨時(shí)飛行記錄文件“flydata.gps”，而在每次接收到遙測(cè)數(shù)據(jù)幀的同時(shí)，會(huì)自動(dòng)將該幀寫(xiě)入“flydata.gps”文件，在退出程序時(shí)會(huì)提醒用戶 “是否需要保存此次飛行記錄?”，且默認(rèn)的保存文件名為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，如“201109151025.gps”表示記錄時(shí)間為2011年9月15日上午10:25。某GPS數(shù)據(jù)幀輸出的4種幀格式的數(shù)據(jù)包：GPS數(shù)據(jù)包、衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)包、GLN數(shù)據(jù)包、BDGLN數(shù)據(jù)包。衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)包幀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 幀結(jié)構(gòu)Fig.3 Frame structure

4種數(shù)據(jù)包中“數(shù)據(jù)”一項(xiàng)所含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各不相同。且“數(shù)據(jù)包類型”一項(xiàng)填充不同值作為4種幀格式的判斷標(biāo)志，因此下文統(tǒng)稱其為幀標(biāo)志。幀標(biāo)志定義如圖4所示。

圖4 幀標(biāo)志類型定義Fig.4 Frame flag define

由于接收的數(shù)據(jù)不會(huì)是完整GPS數(shù)據(jù)幀，需要與上次處理后剩下的GPS數(shù)據(jù)一起處理，如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不大于6字節(jié)，把數(shù)據(jù)作為下一次的數(shù)據(jù)，繼續(xù)接收新數(shù)據(jù)。但同步碼長(zhǎng)度是相等的，包括長(zhǎng)度為5字節(jié)，GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊流程圖如圖5所示。

圖5 GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖Fig.5 Flow chart of data preprocessing

4 使用效果

該軟件能夠?qū)崟r(shí)顯示導(dǎo)彈的速度、高度、位置、軌跡；實(shí)時(shí)顯示和記錄導(dǎo)彈的截獲信息和其他工作信息，使地面技術(shù)人員及時(shí)掌握和了解導(dǎo)彈的工作情況，提高試驗(yàn)的成功率和準(zhǔn)確度，從而大大提高試驗(yàn)效率和試驗(yàn)結(jié)果的有效性，節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。圖6所示為某型號(hào)導(dǎo)彈飛行軌跡示意圖。此外遙測(cè)地面站可根據(jù)GPS顯示參數(shù)引導(dǎo)遙測(cè)接收系統(tǒng)，防止跟蹤時(shí)偏離目標(biāo)[7-8]。

圖6 導(dǎo)彈飛行軌跡示意圖Fig.6 Sketch map of missile flight trace

5 結(jié) 論

該軟件作為GPS飛行試驗(yàn)的關(guān)鍵性軟件，其成熟可靠是系統(tǒng)的關(guān)鍵。但是隨著北斗／伽利略GPS系統(tǒng)等新的定位系統(tǒng)發(fā)展，新設(shè)備的接入，對(duì)原有系統(tǒng)的可擴(kuò)展性提出了很高的要求。

本軟件通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)模塊化的結(jié)構(gòu)體系，并經(jīng)編碼、調(diào)試后，在某型號(hào)經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，不但具有很好的擴(kuò)展性，僅僅在GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊上進(jìn)行改動(dòng)即可滿足系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，而且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，完全滿足空空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)的需要。

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