GPS軌跡測量系統在導彈飛行試驗中的應用

李東　黃信安

摘 要： 空空導彈研制需要一系列空中系留飛行試驗，以解決導彈制導系統對真實目標的截獲跟蹤能力。傳統的系留試驗由于地面試驗人員無法實時掌握靶機和目標機的動態，給飛行試驗結果造成了很大的不確定性；本系統利用日益廣泛使用的GPS全球定位技術，從載機的導彈產品和目標機GPS吊艙接收下傳的GPS信息，實時解算出目標機相對于載機位置、速度等信息，顯示在數據處理軟件上，從而使地面試驗人員實時獲取載機和目標機的相關信息，為試驗指揮提供了可靠數據；實際應用結果表明，該系統大大提高了系留試驗的成功率和導彈截獲概率，為飛行試驗節約了試驗經費和時間，創造了良好的經濟效益。

關鍵詞： 軌跡測量系統； 飛行試驗； 地面接收站； GPS； 導彈

中圖分類號： TN965?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0028?03

Abstract： In the process of air?to?air missile development， a serial of tethered flight test must be done to improve the capability of capturing and tracking the real goal of missile guidance system. The traditional tethered flight test results in great uncertainty for the flight test results because the test personnel on ground can not grasp the dynamic status of the drone aircraft in real time. With GPS widely used in the system， the target aircraft′s position and speed relative to fighter plane are calculated in combination the GPS information received from the airborne missile and target GPS pod， and displayed in the data processing software， so that the test personnel on ground obtain the relevant information of fighter plane and drone aircraft in real time and provide reliable data for the test command. The practical application result shows that this system can greatly improve the success rate and the missile interception probability， and save the time and fund of the test.

Keywords： trajectory measurement system； flight test； ground receiving station； GPS； missile

0 引 言

空空導彈研制過程中需要一系列的系留飛行試驗，以解決導彈制導系統對真實目標的截獲跟蹤能力，暴露在飛行條件下可能存在的問題[1]。由于地面人員無法實時掌握靶機和目標機的動態，飛行試驗的好壞只能靠事后通過對遙測數據的分析得出結論，這樣給飛行試驗的結果造成了很大的不確定性。GPS軌跡測量系統是對空空導彈進行空中目標機截獲跟蹤試驗時使用的飛行試驗專用測試設備，用于實時顯示載機、目標機的速度、高度、位置、軌跡和相對運動參數（相對速度和相對距離、攻擊角等）。它能實時顯示和記錄導彈的截獲信息和其他工作信息，供地面指揮人員調度載機和目標機按大綱預先設定的航線飛行，使地面技術人員及時掌握和了解導彈的工作情況，提高試驗的成功率和準確度，從而大大提高試驗效率和試驗結果的有效性。

該系統就是利用日益廣泛使用的GPS全球定位技術[2]，從載機的導彈產品和目標機的GPS飛行測試吊艙接收其下傳的GPS信息，實時解算出目標機相對于載機位置、速度等信息，并實時顯示在數據處理軟件上，從而使地面的試驗指揮人員實時獲取載機和目標機的相關信息，為試驗的指揮提供了可靠的數據，大大提到了系留試驗中導彈的截獲概率，為飛行試驗節約了時間和經費，創造了良好的經濟效益。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

GPS軌跡測量系統由載機綜合數據發送系統、目標機綜合數據發送系統、GPS地面工作站、實時采集處理監視系統、事后處理單元五部分構成[3]，組成部分如圖1所示。

1.2 工作原理

在飛行試驗中，載機綜合數據發送系統通過射頻通道無線接收導彈工作參數后與本地收到的GPS數據融合、編碼，實時記錄到存儲器，并將數據擴頻后送給調制遙測發射機，發射機通過發射天線向空間輻射。目標機GPS遙測系統接收本機GPS信息，并進行編碼、記錄，將數據擴頻后通過射頻通道向外輻射。地面工作站實時接收載機和目標機的射頻信號，經擴頻接收機接收解調得到數據信號；而后經幀同步、數據合并，由計算機讀取、存盤，實時獲得載機和目標機的位置、速度、軌跡及導彈主要的工作參數等，通過無線網絡將數據發送給第二顯示終端進行顯示。飛行試驗結束后，地面檢測設備通過數據線下載載機、目標機記錄數據，數據處理系統對其進行事后處理分析，得到被測參數，以數據、曲線、圖形、文本等方式輸出，生成最終的數據文件，并通過遙測數據和下載數據的事后處理分析，提高數據的完整性和準確性。

2 方案設計

2.1 載機綜合數據發送系統

載機綜合數據發送系統設計主要包括結構設計和電子部件設計。電子部件包括GPS接收天線、GPS接收機、試驗彈數據接收單元、數據融合處理組件、數據記錄組件、擴頻發射機、發射天線、電源和吊艙彈體。組成框圖如圖2所示。

載機綜合數據發送系統的主要功能主要包括接收GPS衛星信號，解算出GPS天線的位置、速度及精確時間等信息，并將解算出的信息和原始信息傳至地面站；有線和近距無線接收同一載機另一側掛載的試驗彈的主要工作參數并實時回傳地面站；記錄GPS原始觀測數據和試驗彈的主要工作參數；系統地面自檢功能等。GPS數據除時間、三維位置、速度信息外，還應有L1波段多普勒測量值、載波相位測量值、C/A碼偽距測量值、衛星索引、精度因子等，以便于事后差分和數據分析等使用。

2.2 GPS地面接收站

地面工作站主要包括：接收天線、載機數據擴頻接收單元、目標機GPS數據擴頻接收單元、GPS基準站、數據合并單元、實時處理監視單元、485總線數據輸出單元、事后處理單元，功能組成框圖如圖3所示。

地面工作站主要功能為：

（1） 保證在規定飛行區域范圍內，可靠接收載機綜合數據發送系統和目標機GPS遙測系統的數據信息；

（2） 接收并記錄基準站、載機、目標機GPS原始觀測數據、可實現事后數據讀取和重放；

（3） 將載機和目標機信息融合后實時傳輸出給實時處理監視單元并記錄；

（4） 實時處理監視單元可以調整載機和目標機的軌跡的點數，顯示比例圖可以放大縮小；可以使用電子地圖作為顯示系統的背景，也可以制作有簡單地標組成的地圖作為顯示背景；顯示時自動剔除誤碼；選取軌跡圖中的歷史點，可以彈出窗口顯示該點數據；

（5） 用無線網絡的方式，選擇全部或部分信息傳輸至第二顯示終端，為領航、決策提供依據等。

2.3 實時采集處理監視系統

實時處理軟件包含實時存貯、GPS參數解算、載機和目標機實時顯示、遠程數據發送等模塊。用于實時存貯、接收、處理并監視載機和目標機的飛行狀態，及試驗彈的工作狀態，它具有同步碼的容錯處理以及時碼的判斷，丟幀檢查功能；實時接收、存儲、解算由網絡傳送來的載機和目標機的GPS數據，能夠完成GPS數據和導彈工作參數的分離，能夠實時解算并顯示載機和目標機信息。它能夠顯示包括載機和目標機的位置和航跡（經度、緯度）、高度、速度、相對距離、高差、攻擊角等參數信息，實時處理監視單元可以調整載機和目標機的軌跡的點數，顯示比例圖可以放大縮小，可以使用電子地圖作為顯示系統的背景，也可以制作有簡單地標組成的地圖作為顯示背景，顯示時自動剔除誤碼，選取軌跡圖中的歷史點，可以彈出窗口顯示該點數據等。實時采集數據處理流程圖如圖4所示。

2.4 事后處理系統

試驗結束后，事后處理單元對載機GPS、目標機GPS和基準站GPS的原始觀測數據進行差分處理，得到比試驗時更高精度的信息，以對試驗彈數據結果對應的條件進行進一步分析。它主要包括數據回放模塊和差分處理模塊，主要功能包括選取地面工作站、載機和目標機的數據進行回放，顯示試驗彈參數和載機、目標機的GPS信息；對地面工作站、載機和目標機GPS數據進行高精度GPS差分處理；計算地面工作站、載機與目標機的相對位置等。

3 實施效果

該系統能夠實時顯示載機、目標機的速度、高度、位置、軌跡以及目標機相對于載機的速度、距離、攻擊角等信息，便于地面指揮人員調度載機和目標機按大綱預先設定的航線飛行，大大提高了試驗的成功率和準確度，并且能夠實時記錄載機和目標機的飛行軌跡，以便進行更精確的事后數據分析。飛行試驗效果如圖5所示。

4 結 語

本文利用GPS軌跡測量系統，實現了導彈系留試驗中目標機和載機的位置、速度等信息的實時顯示，為地面的試驗指揮人員實時獲取載機和目標機的相關信息，為試驗的指揮提供了可靠的數據，大大提高了試驗的成功率，同時該系統也可以用于地面繞飛試驗等，為飛行試驗提供了有力的技術保障。

參考文獻

[1] 楊晨，葉少杰，周頤.空空導彈試驗和鑒定[M].北京：國防工業出版社，2007.

[2] 王德周，李耀民.基于GPS技術輔助雷達引導系統設計[J].計算機測量與控制，2013（1）：139?141.

[3] 張建學.空空導彈GPS飛行軌跡軟件的設計與實現[J].電子設計工程，2012，20（1）：59?62.

[4] 何睿，章堅武.GPS電子地圖坐標轉換方法研究[J].火控雷達技術，2006，6（2）：82?84.

[5] 李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].2版.武漢：武漢大學出版社，2011.

[6] 桂延寧，張福順，焦李成.飛行軌跡及參數測量的一種新方法[J].電子學報，2003（12）：1894?1896.

2 方案設計

2.1 載機綜合數據發送系統

載機綜合數據發送系統設計主要包括結構設計和電子部件設計。電子部件包括GPS接收天線、GPS接收機、試驗彈數據接收單元、數據融合處理組件、數據記錄組件、擴頻發射機、發射天線、電源和吊艙彈體。組成框圖如圖2所示。

載機綜合數據發送系統的主要功能主要包括接收GPS衛星信號，解算出GPS天線的位置、速度及精確時間等信息，并將解算出的信息和原始信息傳至地面站；有線和近距無線接收同一載機另一側掛載的試驗彈的主要工作參數并實時回傳地面站；記錄GPS原始觀測數據和試驗彈的主要工作參數；系統地面自檢功能等。GPS數據除時間、三維位置、速度信息外，還應有L1波段多普勒測量值、載波相位測量值、C/A碼偽距測量值、衛星索引、精度因子等，以便于事后差分和數據分析等使用。

2.2 GPS地面接收站

地面工作站主要包括：接收天線、載機數據擴頻接收單元、目標機GPS數據擴頻接收單元、GPS基準站、數據合并單元、實時處理監視單元、485總線數據輸出單元、事后處理單元，功能組成框圖如圖3所示。

地面工作站主要功能為：

（1） 保證在規定飛行區域范圍內，可靠接收載機綜合數據發送系統和目標機GPS遙測系統的數據信息；

（2） 接收并記錄基準站、載機、目標機GPS原始觀測數據、可實現事后數據讀取和重放；

（3） 將載機和目標機信息融合后實時傳輸出給實時處理監視單元并記錄；

（4） 實時處理監視單元可以調整載機和目標機的軌跡的點數，顯示比例圖可以放大縮小；可以使用電子地圖作為顯示系統的背景，也可以制作有簡單地標組成的地圖作為顯示背景；顯示時自動剔除誤碼；選取軌跡圖中的歷史點，可以彈出窗口顯示該點數據；

（5） 用無線網絡的方式，選擇全部或部分信息傳輸至第二顯示終端，為領航、決策提供依據等。

2.3 實時采集處理監視系統

實時處理軟件包含實時存貯、GPS參數解算、載機和目標機實時顯示、遠程數據發送等模塊。用于實時存貯、接收、處理并監視載機和目標機的飛行狀態，及試驗彈的工作狀態，它具有同步碼的容錯處理以及時碼的判斷，丟幀檢查功能；實時接收、存儲、解算由網絡傳送來的載機和目標機的GPS數據，能夠完成GPS數據和導彈工作參數的分離，能夠實時解算并顯示載機和目標機信息。它能夠顯示包括載機和目標機的位置和航跡（經度、緯度）、高度、速度、相對距離、高差、攻擊角等參數信息，實時處理監視單元可以調整載機和目標機的軌跡的點數，顯示比例圖可以放大縮小，可以使用電子地圖作為顯示系統的背景，也可以制作有簡單地標組成的地圖作為顯示背景，顯示時自動剔除誤碼，選取軌跡圖中的歷史點，可以彈出窗口顯示該點數據等。實時采集數據處理流程圖如圖4所示。

2.4 事后處理系統

試驗結束后，事后處理單元對載機GPS、目標機GPS和基準站GPS的原始觀測數據進行差分處理，得到比試驗時更高精度的信息，以對試驗彈數據結果對應的條件進行進一步分析。它主要包括數據回放模塊和差分處理模塊，主要功能包括選取地面工作站、載機和目標機的數據進行回放，顯示試驗彈參數和載機、目標機的GPS信息；對地面工作站、載機和目標機GPS數據進行高精度GPS差分處理；計算地面工作站、載機與目標機的相對位置等。

3 實施效果

該系統能夠實時顯示載機、目標機的速度、高度、位置、軌跡以及目標機相對于載機的速度、距離、攻擊角等信息，便于地面指揮人員調度載機和目標機按大綱預先設定的航線飛行，大大提高了試驗的成功率和準確度，并且能夠實時記錄載機和目標機的飛行軌跡，以便進行更精確的事后數據分析。飛行試驗效果如圖5所示。

4 結 語

本文利用GPS軌跡測量系統，實現了導彈系留試驗中目標機和載機的位置、速度等信息的實時顯示，為地面的試驗指揮人員實時獲取載機和目標機的相關信息，為試驗的指揮提供了可靠的數據，大大提高了試驗的成功率，同時該系統也可以用于地面繞飛試驗等，為飛行試驗提供了有力的技術保障。

參考文獻

[1] 楊晨，葉少杰，周頤.空空導彈試驗和鑒定[M].北京：國防工業出版社，2007.

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[6] 桂延寧，張福順，焦李成.飛行軌跡及參數測量的一種新方法[J].電子學報，2003（12）：1894?1896.

2 方案設計

2.1 載機綜合數據發送系統

載機綜合數據發送系統設計主要包括結構設計和電子部件設計。電子部件包括GPS接收天線、GPS接收機、試驗彈數據接收單元、數據融合處理組件、數據記錄組件、擴頻發射機、發射天線、電源和吊艙彈體。組成框圖如圖2所示。

載機綜合數據發送系統的主要功能主要包括接收GPS衛星信號，解算出GPS天線的位置、速度及精確時間等信息，并將解算出的信息和原始信息傳至地面站；有線和近距無線接收同一載機另一側掛載的試驗彈的主要工作參數并實時回傳地面站；記錄GPS原始觀測數據和試驗彈的主要工作參數；系統地面自檢功能等。GPS數據除時間、三維位置、速度信息外，還應有L1波段多普勒測量值、載波相位測量值、C/A碼偽距測量值、衛星索引、精度因子等，以便于事后差分和數據分析等使用。

2.2 GPS地面接收站

地面工作站主要包括：接收天線、載機數據擴頻接收單元、目標機GPS數據擴頻接收單元、GPS基準站、數據合并單元、實時處理監視單元、485總線數據輸出單元、事后處理單元，功能組成框圖如圖3所示。

地面工作站主要功能為：

（1） 保證在規定飛行區域范圍內，可靠接收載機綜合數據發送系統和目標機GPS遙測系統的數據信息；

（2） 接收并記錄基準站、載機、目標機GPS原始觀測數據、可實現事后數據讀取和重放；

（3） 將載機和目標機信息融合后實時傳輸出給實時處理監視單元并記錄；

（4） 實時處理監視單元可以調整載機和目標機的軌跡的點數，顯示比例圖可以放大縮小；可以使用電子地圖作為顯示系統的背景，也可以制作有簡單地標組成的地圖作為顯示背景；顯示時自動剔除誤碼；選取軌跡圖中的歷史點，可以彈出窗口顯示該點數據；

（5） 用無線網絡的方式，選擇全部或部分信息傳輸至第二顯示終端，為領航、決策提供依據等。

2.3 實時采集處理監視系統

實時處理軟件包含實時存貯、GPS參數解算、載機和目標機實時顯示、遠程數據發送等模塊。用于實時存貯、接收、處理并監視載機和目標機的飛行狀態，及試驗彈的工作狀態，它具有同步碼的容錯處理以及時碼的判斷，丟幀檢查功能；實時接收、存儲、解算由網絡傳送來的載機和目標機的GPS數據，能夠完成GPS數據和導彈工作參數的分離，能夠實時解算并顯示載機和目標機信息。它能夠顯示包括載機和目標機的位置和航跡（經度、緯度）、高度、速度、相對距離、高差、攻擊角等參數信息，實時處理監視單元可以調整載機和目標機的軌跡的點數，顯示比例圖可以放大縮小，可以使用電子地圖作為顯示系統的背景，也可以制作有簡單地標組成的地圖作為顯示背景，顯示時自動剔除誤碼，選取軌跡圖中的歷史點，可以彈出窗口顯示該點數據等。實時采集數據處理流程圖如圖4所示。

2.4 事后處理系統

試驗結束后，事后處理單元對載機GPS、目標機GPS和基準站GPS的原始觀測數據進行差分處理，得到比試驗時更高精度的信息，以對試驗彈數據結果對應的條件進行進一步分析。它主要包括數據回放模塊和差分處理模塊，主要功能包括選取地面工作站、載機和目標機的數據進行回放，顯示試驗彈參數和載機、目標機的GPS信息；對地面工作站、載機和目標機GPS數據進行高精度GPS差分處理；計算地面工作站、載機與目標機的相對位置等。

3 實施效果

該系統能夠實時顯示載機、目標機的速度、高度、位置、軌跡以及目標機相對于載機的速度、距離、攻擊角等信息，便于地面指揮人員調度載機和目標機按大綱預先設定的航線飛行，大大提高了試驗的成功率和準確度，并且能夠實時記錄載機和目標機的飛行軌跡，以便進行更精確的事后數據分析。飛行試驗效果如圖5所示。

4 結 語

本文利用GPS軌跡測量系統，實現了導彈系留試驗中目標機和載機的位置、速度等信息的實時顯示，為地面的試驗指揮人員實時獲取載機和目標機的相關信息，為試驗的指揮提供了可靠的數據，大大提高了試驗的成功率，同時該系統也可以用于地面繞飛試驗等，為飛行試驗提供了有力的技術保障。

參考文獻

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[5] 李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].2版.武漢：武漢大學出版社，2011.

[6] 桂延寧，張福順，焦李成.飛行軌跡及參數測量的一種新方法[J].電子學報，2003（12）：1894?1896.