測量信息仿真設計與實現*

吳曉琳

(92941部隊　葫蘆島　125000)

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測量信息仿真設計與實現*

吳曉琳

(92941部隊葫蘆島125000)

摘要雷達和GPS是外測的重要測量手段,論文通過建立數學模型和軟件編制,完成了雷達和GPS相關信息的仿真,利用數字仿真技術,模擬外測設備的測量數據,從而滿足日益繁重的試驗任務和科研需要。

關鍵詞仿真; 外測; 脈沖雷達; GPS

Design and Implementation of Measurement Information Simulation

WU Xiaolin

(No. 92941 Troops of PLA, Huludao125000)

AbstractRadar and GPS are important measurements of exterior. In this paper, the simulation of radar and GPS information is accomplished through mathematical modelling and software programming. With the use of digital simulation technology, measurement data of tracking equipment are simulated so as to meet the increasingly heavy test tasks and research needs.

Key Wordssimulation, external trajectory, pulse radar, GPS

Class NumberTP391.9

1引言

仿真是基于模型的活動,對于任意一項系統的仿真研究都是一項較為復雜的系統工程,測控系統仿真的設計也是如此,測控網所涵蓋的內容決定了仿真設計的復雜性。在對測控系統結構及測控信息流程進行分析,實現數字仿真系統總體結構設計的基礎上,本文對外測信息仿真的設計思想及模型實現方法進行討論。

本文采用的是純數學仿真方法實現的軟件形式,其特點是利用數學模型進行數學仿真,產生各種模擬測量數據,因此在仿真計算部分,建立適合的數學模型成為仿真軟件實現所需解決的重要問題,仿真計算時要涉及以下兩方面內容。

1) 數據基礎

理論彈道是外測信息仿真計算的基礎。理論彈道數據一般是由型號研制部門所提供,但這些彈道數據并不是等間隔連續的彈道點,因此在裝訂彈道數據文件時,要挑出所需的彈道點數,通常在火箭特征點附近取的彈道點稍密一些,而在其他時段彈道可根據需要適當取彈道點,在進行仿真計算時,首先要對理論彈道進行插值計算,得出等間隔、嚴格的全彈道數據。

2) 坐標系轉換

測控系統中涉及多個坐標系統和多種表達形式及其轉換,地球物理參數采用DX-2坐標系統的參數,地面測量采用測量坐標系,基地間彈道信息采用的則是地心坐標系,地面遙、外測數據的實時處理彈道參數統一轉換到發射坐標系中。因此,仿真計算時要涉及到不同坐標系之間相互轉換的問題。

2測量信息仿真

在測控系統中,外測設備多種多樣,根據輸入中心計算機的測量信息,主要可以歸結為三類。

第二類,測量信息為地心坐標系的彈道(T,x,y,z,vx,vy,vz),如GPS等設備。

第三類,測量信息為發射坐標系的彈道,主要設備為團站級的計算機。在實際飛行試驗任務中,這些測量元素均來源于各測量站對飛行目標跟蹤和測量的結果。測控中心計算機有了上述測量元素,經數據處理,就能計算出任何飛行目標的彈道或軌道參數(T,x,y,z,vx,vy,vz)。但在平時聯調、聯試以及訓練時,這些測量元素只能依靠仿真系統對各設備的模擬仿真得到。

3脈沖雷達信息模擬

單脈沖雷達是大型精密跟蹤雷達,主要用于對導彈的飛行彈道進行跟蹤測量,獲得定位數據和速度數據,為指揮控制系統和安全控制系統提供實時信息,并為事后處理系統提供其記錄信息,雷達采用振幅和差式單脈沖體制。

3.1工作原理

3.2仿真測量元素計算模型

式中:L為大地經度,B為大地緯度,h為高程;ND為P點的卯酉圈曲率半徑,由上式得到

上式中aD為參考橢球長半徑,eD為參考橢球第一偏心率。然后,進行坐標轉換,將發射坐標系的彈道轉換為地心空間直角坐標系下。發射坐標系的定義:它是以發射點的鉛垂線、水準面為基準的垂線坐標系,以Of-XcfYcfZcf表示。原點Of位于導彈質心在發射臺平面的投影點;Ycf軸與發射點的鉛垂線一致,指向地球外:Xcf軸與Ycf軸垂直,由原點指向發射瞄準方向,Xcf軸與發射點天文子午面的夾角即瞄準方向的天文方位角。Zcf軸與Xcf、Ycf構成右手關系。已知發射點的大地坐標,天文經度、緯度和發射方向的天文方位角即可進行坐標轉換,公式如下:

由地心空間直角坐標系下的彈道,可以通過坐標轉換計算得出測站坐標系下的彈道。測量坐標系Oc-XcYcZc。定義以測量設備的回轉中心為坐標原點,Xc軸在過坐標原點的水平面內指向天文北;Yc與過坐標原點的鉛垂線相重合,向上為正;Zc軸在坐標原點的水平面內與Xc、Yc軸構成右手系。坐標轉換公式如下:

3.3測速原理

3.4仿真步驟

系統軟件具體的仿真步驟如下:

1) 調用函數進行發射系到連續波測量系的坐標轉換;

2) 進行相關參數計算:

R=(x2+y2+z2)1/2

Rp=[(x-xp)2+(y-yp)2+(z-zp)2]1/2

Rq=[(x-xq)2+(y-yq)2+(z-zq)2]1/2

S=2*R;r1=R-Rp;r2=R-Rq

其中Aij-1為將發射系下速度參數轉換為距離參數的3×3系數矩陣;

3) 計算得到的測量元素進行量綱轉換;

4) 將計算好的參數按照格式進行組幀處理;

5) 填入發送緩沖區,數據打包。

4GPS彈道模擬

從GPS工作原理來看,利用它來跟蹤飛行器有諸多優點。首先GPS能在全球范圍、24小時提供高精度七維信息,因而象導彈這樣的試驗可不受發射場區、射向、射程、發射窗口及測量站布局的限制,可以在任何地區任何時間進行試驗。由于GPS是一個無線電定位測速系統,所以不受天氣條件的影響。GPS用戶是被動接收信號而完成定位測速的,所以用戶可以無限多。GPS的具體測量方案分兩大類:彈載接收機方案和轉發跟蹤方案。

1) 彈載接收機方案

在被跟蹤目標上裝載一臺能適應目標速度與加速度的全功能多通道接收機,由它接收四顆以上GPS衛星的信號,完成實時定位測速。目標上接收機得到的目標位置和速度數據經遙測線路送到中心計算機。這種方案是當前測控系統中經常使用的。

2) 轉發跟蹤方案

采用這種方案時,在目標上裝載轉發器,將目標上天線接收的GPS衛星信號加以變頻或數字化,通過遙測線路轉發到地面站,在遙測站作實時處理,所得彈道可供實時安全使用。

對GPS設備信息的仿真需要模擬的是地心系下的彈道參數。對其處理的要點是利用坐標系轉換將發射坐標系下的彈道轉為地心坐標系下的彈道,發射系彈道轉地心系彈道的計算方法如下:

其中a0、b0、c0為發射點在地心坐標系的坐標。

其中

φ11=-sinλsina-cosλsinφcosaφ12=cosλcosφ

φ13=-sinλcosa+cosλsinφsina

φ21=cosλsina-sinλsinφcosa

φ22=sinλcosφφ23=cosλcosa+sinλsinφsina

φ31=cosφcosaφ32=sinφφ33=-cosφsina

φ、λ、a分別為發射點天文經度、緯度、射擊方位角。通過上述計算得到GPS設備發送給中心計算機的仿真信息,然后對各參數進行量綱復原和組幀處理,然后將數據幀打入數據包中。

GNSS是俄羅斯建立類似美國GPS的衛星式全球定位系統,其工作原理、基本組成與GPS相似,但具體實現方案稍有差別,數字仿真系統對其的模擬方法與GPS相似。

5結語

本文介紹了外測仿真系統主要的設計思想及實現方法,同時對外測設備的測量原理進行了簡單介紹。由于試驗測控網涉及范圍十分廣泛,因此仿真軟件在設計時要全面考慮測控中心計算機所有處理、交換的信息,同時,由于整個測控系統的復雜性及多變性,因此對于數字仿真來講,為提高數據處理軟件的可靠性,還必須考慮測控設備信息異常及目標飛行故障等情況。只有這樣,建立的模型才更接近于實際狀況,為安控預演提供更為可靠、接近于實際的仿真飛行數據。

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中圖分類號TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.022

作者簡介:吳曉琳,女,工程師,研究方向:數據處理。

收稿日期:2015年9月8日,修回日期:2015年10月24日