一種合作式海上目標航跡記錄和位置監(jiān)控系統(tǒng)

胡生亮 劉 忠 付學志 李朝旭

(海軍工程大學電子工程學院1，湖北 武漢 430033;91635部隊2，北京 102249)

0 引言

在海上演練戰(zhàn)場環(huán)境下，常常需要實時記錄、監(jiān)控戰(zhàn)場范圍內(nèi)多個合作目標的位置信息。就目標航跡記錄而言，可參考車輛行駛記錄儀［1-4］或車輛行駛調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)［5-9］。但能夠適應(yīng)海上環(huán)境，并兼具航跡記錄和位置監(jiān)控功能的集成系統(tǒng)并不多見。

若以車輛行駛調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)中常見的GPRS+GPS方式構(gòu)建，需要覆蓋GSM網(wǎng)絡(luò)信號，這不僅不利于信息安全，且受GSM通信基站覆蓋范圍約束。北斗系統(tǒng)的短消息通信功能可實現(xiàn)位置監(jiān)控，但現(xiàn)階段某些海域尚無衛(wèi)星覆蓋，且通信帶寬有限、終端體積較大、成本高，限制了大規(guī)模的應(yīng)用［10］。盡管文獻［11］提出以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為手段的車輛監(jiān)控系統(tǒng)，為實現(xiàn)海上目標位置監(jiān)控提供了參考，但該方式信號傳輸距離有限，需采用多跳中繼通信方式，系統(tǒng)復(fù)雜且不穩(wěn)定［11］。

鑒于此，本文采用數(shù)傳電臺+GPS模塊方式，設(shè)計了航跡記錄和位置實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有記錄時間長、信息多備份存儲、使用方式靈活等優(yōu)點，已多次應(yīng)用于海上無人戰(zhàn)場演練。

1 需求分析和系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對于海上無人對抗演練而言，對抗雙方的航跡記錄信息是評價對抗效果和作戰(zhàn)效能的基本依據(jù)。航跡信息可以只存儲在本地作戰(zhàn)單元內(nèi)，待演練結(jié)束后再回收作戰(zhàn)單元并下載航跡信息。

但以上做法一方面無法實現(xiàn)演練導(dǎo)演組對合作式對抗過程的實時監(jiān)控;另一方面，由于復(fù)雜的海上環(huán)境和對抗過程中的戰(zhàn)場損耗，并不能保證每一個作戰(zhàn)單元都能被正常回收，嚴重影響了對作戰(zhàn)單元的效果評估和作戰(zhàn)效能分析。

綜合上述分析，本文實現(xiàn)了一種包含F(xiàn)lash實時存儲和USB格式化轉(zhuǎn)存功能的本地航跡記錄器，并借助于作戰(zhàn)海域上空迂回飛行的檢靶飛機平臺或演練海域附近的岸基制高點，利用無線通信技術(shù)，完成了對合作式對抗目標的實時位置監(jiān)控。該系統(tǒng)也是實現(xiàn)目標航跡信息的另一種遠程備份獲取手段。系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system composition

合作式海上目標航跡記錄和位置監(jiān)控系統(tǒng)由若干本地端航跡記錄器和目標位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點組成。其中，航跡記錄器被安裝在需要定位服務(wù)的本地作戰(zhàn)單元上，為作戰(zhàn)演練提供單元級的GPS定位和航跡記錄服務(wù)，在本應(yīng)用中視為下位機;目標位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點部署于遠程檢靶飛機平臺或岸基制高點，視為上位機。兩者由短波或超短波無線信道建立通信連接。

系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)特點是:采用硬件復(fù)用技術(shù)，上下位機基于同一個MSP430單片機硬件平臺，且每套上下位機均帶有一臺無線數(shù)傳電臺(UART串行通信接口)和兩種存儲模塊(Flash、USB)。在實際演練中，航跡記錄器自動實時記錄作戰(zhàn)單元的位置信息和狀態(tài)信息，一旦上下位機之間建立無線通信，則自動完成作戰(zhàn)單元的位置信息采集上報。該記錄器應(yīng)用廣泛、使用靈活，具有較高的可靠性。它一方面實現(xiàn)了演練戰(zhàn)場態(tài)勢遠程監(jiān)控，另一方面也完成了演練態(tài)勢信息的多備份和多方式獲取。

2 本地端航跡記錄器

航跡記錄器以MSP430低功耗單片機為核心，并配置了串行通信接口(2個，記為UART0和UART1)、8 bit標示編碼開關(guān)、I2C實時時鐘、USB存儲、Flash存儲、電源監(jiān)控管理等外設(shè)模塊。其中，編碼開關(guān)為作戰(zhàn)單元提供了8 bit的身份標示;I2C實時時鐘用于為航跡記錄器的通信日志建立時間戳;UART0與GPS模塊進行通信，在本地端實現(xiàn)GPS定位數(shù)據(jù)的解包、壓縮編碼和多備份存儲等功能;UART1與無線數(shù)傳電臺通信，將本地航跡信息上傳到遠程目標位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。

除了完成航跡信息的無線上傳，航跡記錄器的核心功能是為本地作戰(zhàn)單元提供可靠、多元化的航跡記錄服務(wù)，包括Flash實時快速存儲和USB低速轉(zhuǎn)存兩種模式。

2.1 Flash實時快速存儲模式

MSP430單片機與Flash存儲器M25P64之間的接口電路原理如圖2所示。

圖2 接口電路原理圖Fig.2 Principle of interface circuit

本系統(tǒng)中的GPS定位模塊選用GERMIN公司的GPS15L模塊。該模塊的最短定位更新周期能夠達到1 s，即航跡記錄存儲器的最短操作周期為1 s。在需要頻繁讀寫操作的航跡記錄系統(tǒng)中，選用低功耗、大容量、高速Flash存儲器M25P64作為存儲載體。

M25P64的存儲空間為64 Mbit，由32768個頁面組成，每個頁面為256 B。芯片支持頁編程(256 B)，支持扇區(qū)擦除(512 kbit)和塊擦除(64 Mbit);最高時鐘頻率為50 MHz，可循環(huán)使用10萬次;15 mA典型編程/擦除電流、4 mA典型讀電流(20 mHz時鐘頻率)、50 μA典型Standby電流［12］。由于MSP430單片機片上集成SPI控制器，它的I/O口P3.3作為時鐘輸出連接到M25P64的時鐘輸入，P3.1復(fù)用為 SIMO(主控制器輸出)連接到M25P64的輸入端，P3.2作為SOMI(主控制器輸入)連接到M25P64的數(shù)據(jù)輸出，然后使用其他I/O口控制M25P64的片選和通信狀態(tài)。將多片M25P64復(fù)用串行總線，能夠擴展更大容量的存儲空間。在實際設(shè)計中，采用1片單片機控制3片M25P64，使總?cè)萘繑U展到了192 Mbit。

GPS15L模塊的輸入輸出語句以NMEA0183 ASCII碼接口協(xié)議為基礎(chǔ)。本文使用協(xié)議中的MYMPGRMO語句將GPS15L配置為只輸出GPS推薦定位信息(語句為MYMGPRMC)，輸出周期為1 s。單條MYMGPRMC語句包含的數(shù)據(jù)幀長度為72 B，若直接將原始定位數(shù)據(jù)幀存儲，當GPS數(shù)據(jù)刷新周期=1 s時，3片 M25P64級聯(lián)下的最大航跡記錄時長為:

分析NMEA0183協(xié)議中的MYMGPRMC語句可知:定位數(shù)據(jù)幀中的有用數(shù)據(jù)只有UTC時間、精度和緯度等23 B，且均為數(shù)字0～9的ASCII碼格式，即0x30H～0x39H。本文由航跡記錄器中的MSP430單片機實時完成GPS數(shù)據(jù)解包，限定北緯和東經(jīng)定位范圍，并編碼壓縮為十六進制數(shù)據(jù)格式。壓縮前后數(shù)據(jù)對比如圖3所示。

圖3 壓縮前后的GPS數(shù)據(jù)幀對比Fig.3 Comparison of the GPS data frames before and after compression

2.2 USB低速轉(zhuǎn)存模式

對實時性要求較高的Flash快速存儲方式，可在航跡記錄器中引入低速USB存儲。這樣做的主要目的是為了以直觀的方式導(dǎo)出航跡數(shù)據(jù)，以在回收作戰(zhàn)單元后供演練效果分析和復(fù)原戰(zhàn)場態(tài)勢時使用。導(dǎo)出數(shù)據(jù)以TXT文本方式存儲在外置優(yōu)盤中，符合FAT文件系統(tǒng)格式。

在本應(yīng)用中，航跡記錄器中的MSP430單片機為主機，U盤中的USB接口芯片為從機。因此，本文選擇支持USB主機方式的接口芯片CH375作為航跡記錄器的USB存儲接口。

MSP430單片機可以通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與U盤通信。CH375還內(nèi)置了處理Mass-storage海量存儲設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件，MSP430可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫U盤，或通過U盤FAT文件級子程序庫實現(xiàn)單片機讀寫USB存儲設(shè)備中的文件。

MSP430單片機與CH375的連接示意圖如圖4所示。

圖4 MSP430與CH375連接示意圖Fig.4 Connections of MSP430 and CH375

工作于USB主機方式下的CH375在本地端被配置為使用并行接口方式與MSP430通信。并口信號線包括:8位雙向數(shù)據(jù)總線 D7～D0、讀選通輸入引腳RD、寫選通輸入引腳 WR、片選輸入引腳CS、中斷輸出引腳INT以及地址輸入引腳A0。其中，INT輸出的中斷請求是低電平有效，連接到MSP430的中斷輸入引腳，單片機使用中斷方式獲知中斷請求。CH375占用兩個地址位:當A0引腳為低電平時選擇數(shù)據(jù)端口，可以讀寫數(shù)據(jù);當A0引腳為高電平時選擇命令端口，可以寫入新的命令，或者讀出中斷標志。對于軟件設(shè)計而言，命令字的控制方式大大簡化了MSP430控制下的U盤數(shù)據(jù)讀寫。

3 目標位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點

為節(jié)約開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，遠程目標位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點采用相同的MSP430單片機小系統(tǒng)。

航跡記錄器的硬件復(fù)用要點具體如下。

①擴充了LCD顯示模塊，用以動態(tài)監(jiān)控各作戰(zhàn)單元的GPS位置。

②將航跡記錄器中原用于ID標示的8 bit編碼開關(guān)配置為功能控制開關(guān)，并借助單片機軟件配合實現(xiàn)GPS存儲信息緊急上傳等特殊功能。

③在目標位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點中配置其他無線中繼通信設(shè)備，以實現(xiàn)態(tài)勢信息向后方指揮所輸送;也可以配置為便攜式PC，通過與中心節(jié)點的協(xié)議通信實現(xiàn)態(tài)勢的圖形化顯示。

④監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點能夠向無線信道覆蓋范圍內(nèi)的多個作戰(zhàn)單元提供GPS位置遠程查詢、備份存儲服務(wù)。Flash存儲和USB接口都在監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點中予以保留，所實現(xiàn)的功能也與航跡記錄器類似。

在單片機嵌入式軟件設(shè)計方面，目標位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點采用上位機輪詢下位機的方式實現(xiàn)遠程戰(zhàn)場態(tài)勢監(jiān)控，并在輪詢的同時完成Flash和USB兩種存儲功能。

目標位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點流程如圖5所示。

圖5 目標位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點流程圖Fig.5 Flowchart of the center nodes for target position monitoring/forwarding

4 結(jié)束語

以信息化無人演練戰(zhàn)場中的位置信息獲取為需求，本文采用同一套MSP430單片機硬件平臺實現(xiàn)了合作目標的航跡記錄和位置監(jiān)控功能。在本文所述系統(tǒng)應(yīng)用中，可以不對航跡記錄器(下位機)加裝無線通信模塊，但僅能在本地端獲得GPS數(shù)據(jù)。當加裝無線通信模塊后，在目標位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(上位機)的配合下，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)實時戰(zhàn)場態(tài)勢監(jiān)控;另一方面在作戰(zhàn)單元被摧毀或無法回收的情況下，上位機遠程獲得的航跡記錄數(shù)據(jù)也成為了演練效果評估的另一種備份數(shù)據(jù)源，使用靈活、可靠性高。

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