一種機載紅外測量系統引導模塊設計

梁葆華 LIANG Bao-hua；井哲 JING Zhe；楊曉萍 YANG Xiao-ping

（中國飛行試驗研究院航電所，西安710089）

0 引言

未來的先進戰斗機均采取了紅外措施，其紅外輻射大大衰減，如隱身作為未來戰機的幾大特征之一[1]，其紅外性能的動態測試與評估，將是試飛工作中的一項非常重要的內容。需要通過載機平臺加裝機載紅外測量系統對目標的紅外特性進行測量，以獲取高置信度的測量結果，為消除測量距離上大氣對紅外衰減的影響，要求測量距離盡可能近，著重在距目標機幾十米至幾百米內情況下的紅外輻射特性，然而如果探測距離近必將導致試驗時間短暫，試驗數據獲取難度增大，因此要求紅外測量系統需要快速跟蹤目標，最大限度獲取紅外特性數據，為實現紅外測量系統快速跟蹤目標，需要研制引導系統向紅外測量系統提供實時目標方位、距離等引導信息，以滿足快速引導紅外測量系統跟蹤目標的目的。本文就紅外測量系統的引導模塊進行了詳細設計，并進行了相關實驗測試。

1 紅外測量系統引導模塊基本原理

紅外測量系統一般吊掛在飛機上，用于空對空動態目標紅外輻射特性跟蹤測量，圖1所示為測量目標尾向情況飛行態勢。目標機將自身位置、速度信息通過數傳電臺發送給紅外測量飛機的引導解算單元，引導解算單元通過目標機位置、本機位置、姿態等信息計算目標機相對于紅外測量載機的方位、距離信息，并將該信息通過內部總線發送給紅外測量系統，引導其快速對目標進行跟蹤測量。

圖1 紅外測量飛行態勢

2 引導解算模型

引導過程即已知載機大地坐標（B0,L0,h0），目標的大地坐標(B1,L1,h1)，求解目標相對載機機體坐標系(α，λ，R)的過程。其中α是方位角，λ是俯仰角，R是距離，引導解算過程就是坐標轉換過程，即從大地坐標系轉至大地直角坐標系轉至地理坐標系最后轉至載機坐標系。

①將載機、目標機的經度、緯度、高度轉換為地心直角坐標。

按照式（1）將載機和目標機大地坐標系變換至載機地心直角坐標（x0、y0、z0）和目標機地心直角坐標（x1、y1、z1）。

②將目標機的地心直角坐標轉換為載機地理系（北東天坐標系）坐標。

根據1）計算得到的載機、目標機地心直角坐標，按照式（4）將目標機地心直角坐標轉換至在載機地理系中的坐標（xg、yg、zg）。

③將目標機地理系坐標轉換為機體系坐標。

根據公式（4）計算結果，按照式（5）將目標機地理坐標系轉換至機體坐標系中的坐標（xb、yb、zb）。

公式（5）中yaw—載機真航向、pitch—載機俯仰角、roll—載機橫滾角。

④引導輸出機體方位角計算。

引導機體方位角α按式（6）計算：

⑤引導輸出機體系俯仰角計算。

引導輸出機體系俯仰角λ按式（7）計算：

3 引導系統硬件方案設計

根據該項目的技術需求，引導系統總體硬件實現方案框圖如圖2所示。紅外測量引導系統由時碼發生器、GSP接收機、電臺、引導任務處理機組成。其中時碼發生器也稱B碼發生器，主要用于接收GPS時間，并向整個被試系統和配試系統提供統一的時間基準；數傳電臺用于接收目標機（被測量飛機）的GPS位置信息，通過RS-422總線發送給引導任務處理機；GPS接收機用于接收GPS信息，獲取本機位置、速度信息，RS-232總線發送給引導任務處理機；引導任務處理機用于接收載機平臺、目標機等信息，對信息進行時間同步和外推等預處理后再進行引導解算，并將解算的距離、方位等引導信息周期性通過1553B總線發送給加裝的紅外測量吊艙。

圖2 硬件實現框圖

3.1 時碼發生器 時碼發生器選用AGB-2型機載GPS-B時碼發生器（型號G200904697、G200904698），其工作原理為接收GPS衛星信號，依據接收到的標準GPS時間和1PPS定時信號，產生多路IRIG-B時碼（AC碼）信號。

3.2 GPS接收機 GPS接收機選用型號為諾瓦太公司型號為DL-V3的硬件模塊，以NMEA0183 GGA/VTG/RMC格式實時給出WGS-84定位坐標及速度、方向、定位狀態、運行狀態等信息；輸出20HZ的原始觀測數據和定位速度數據發送至引導任務處理機。

3.3 數傳電臺 數傳電臺選用SCADA設計的基于DSP的無線電設備，支持串行遠程終端單元（RTU）和可編程邏輯控制器（PLC），用于接收目標機（被測量飛機）的GPS位置信息，通過串口發送至引導任務處理機。

3.4 引導任務處理機 引導任務處理機系統硬件由FPGA和1553B收發芯片組成，完成1553B協議的采集和回放，提供給軟件控制接口和數據通道。存儲單元由PCIe-SATA協議轉換和SATA接口電子盤組成。可通過RS232或網絡接口控制該采集存儲模塊，并可通過千兆以太網口下載已經記錄的總線數據。系統框圖如圖3所示。完成對1553B總線數據的采集、轉發、引導計算、存儲和下載功能。

圖3 接口轉換設備功能框圖

4 軟件設計

軟件系統駐留在引導任務處理機中，根據功能將軟件系統分為初始化模塊、RS422數據采集模塊，總線監視模塊，引導解算模塊，遠程終端模塊，數據記錄下載模塊，其中引導解算模塊處理流程如圖4所示，各模塊在系統整體調度下實現其對應的功能，上位機控制臺與引導任務處理機交聯實現對系統工作模式的切換，程序的燒錄，系統軟件的配置、記錄數據的下載等功能。

圖4 引導解算模塊處理流程

5 引導系統試飛驗證

為充分驗證引導系統輸出數據的準確性，利用機載雷達系統對引導系統輸出準確性進行檢查，具體方法為載機和目標機迎頭進入，機載雷達對目標機進行探測跟蹤，同時引導系統根據目標機和載機位置、姿態信息進行引導解算，事后將兩者輸出進行插值處理，分析輸出結果的一致性，分析結果如圖5所示，通過試飛結果分析，引導系統與機載雷達輸出一致，證明引導系統的引導算法正確，可滿足紅外測量引導的需求。

6 結束語

現代高端技術戰爭，是在多維戰場空間（陸、海、空、天、電子、信息）上的軍事對抗，對抗的實質是探測與反探測的大對抗。隨著紅外技術在武器系統中的廣泛應用，新型武器系統設計，迫切需要了解飛機的紅外輻射特性。飛行器的紅外輻射特性動態測量與研究，對飛行器紅外特性設計定型鑒定、紅外設計與性能驗證/評估、武器制導、目標探測與識別、光電對抗、反隱身技術、仿真等等眾多軍事領域有著重要的應用，而紅外測量引導系統是確保測量系統快速跟蹤目標、獲取盡可能多紅外特征數據的有力保障，因此引導模塊具有很強的工程應用價值，本文從引導算法、軟硬件設計到最終飛行驗證充分證明了該系統設計方法的正確性，對于同類引導系統研制具有很強的借鑒意義。

圖5 引導輸出與雷達輸出對比曲線

[1]涂澤中，雷迅，胡蓉.對新一代綜合航電系統發展的探討[J].航空電子技術，2001：32（1）.

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[3]李艷曉，胡磊力，陳洪亮，車宏.基于GPS引導的高精度動態紅外輻射模擬器[J].測控技術，2009：28.

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[5]王國玉.電子裝備試驗數據處理[M].北京：國防工業出版社，2001.