基于北斗的下投式空降區(qū)域探測儀設(shè)計?

王曉晅 解北京 張 芳 吳豐華

（1.中國人民解放軍95857部隊 孝感 432100）（2.湖北中醫(yī)藥大學(xué) 武漢 430000）

1 引言

空降的成功率與空降區(qū)域的氣象條件和地理環(huán)境息息相關(guān)。在空降作戰(zhàn)行動中，對空降區(qū)域空中風(fēng)向、風(fēng)速評估失誤，將會導(dǎo)致傘兵偏離預(yù)定的著陸區(qū)域，以致失去空降兵快速、縱深打擊能力。而對空降區(qū)域地理環(huán)境評估失誤，則會導(dǎo)致傘兵在危險地域著陸，造成不必要的空降損耗。如果采用下投式探測儀，實時把空降區(qū)域的氣象要素和地理環(huán)境探測出來，能有效提高空降兵對戰(zhàn)場環(huán)境的快速反應(yīng)能力，進而提升空降的精確性和安全性。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展，基于導(dǎo)航體制的探空儀成為今后探空技術(shù)發(fā)展的主流［1］。導(dǎo)航型探空儀與傳統(tǒng)探空儀相比最大優(yōu)勢是風(fēng)向、風(fēng)速的測量精度和實時性有很大的提高。目前，基于GPS星基導(dǎo)航的探空測風(fēng)技術(shù)在發(fā)達國家應(yīng)用非常普遍［2～3］，但是美國軍方擁有GPS技術(shù)的所有知識產(chǎn)權(quán)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（CNSS）是我國自行研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，并將在2020年形成全球覆蓋能力［4～5］。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)，為發(fā)展我國自主的星基導(dǎo)航探空測風(fēng)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)［6］。當(dāng)前，研究和發(fā)展基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的下投式空降著陸區(qū)探測系統(tǒng)的時機已經(jīng)成熟，這將促使我軍空降保障模式從傳統(tǒng)的地面人工引導(dǎo)向空中智能引導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)變。

2 下投式空降著陸區(qū)探測系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)組成及原理

下投式空降區(qū)域探測系統(tǒng)主要由下投式探測儀、機載接收系統(tǒng)兩部分組成。下投式探測儀主要由降落傘、氣象傳感器、北斗衛(wèi)星定位測風(fēng)模塊、無線數(shù)字傳輸模塊、無線圖傳模塊、電源模塊、攝像頭、云臺和微處理器等組成。機載接收系統(tǒng)由無線數(shù)字傳輸模塊、無線圖傳模塊、電源模塊、微處理器和上位機組成。如圖1所示。

圖1 下投式空降著陸區(qū)探測儀框圖（a）機載接收系統(tǒng)框圖（b）

探測儀采用傘降方式在空降區(qū)域投放后，即利用北斗接收機對探測儀進行定位，獲取經(jīng)緯度、高度和時間信息；利用氣象傳感器對大氣溫度、濕度、氣壓進行采樣。微處理器將北斗定位信息和氣象信息組裝成幀，通過無線數(shù)字傳輸模塊發(fā)送給空中的機載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。同時，利用攝像頭對空降區(qū)域進行高清成像，并通過無線圖傳模塊發(fā)送給空中的機載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)、圖像進行分析處理，并將處理后的氣象和地理信息傳遞給空降突擊部隊。

2.2 設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)傘降作戰(zhàn)、訓(xùn)練的使用要求，提出以下性能指標(biāo)。

探測高度：0～3km；垂直位置精度：10m；水平位置精度：5m；

風(fēng)速測量范圍：0～40m/s；風(fēng)向測量范圍：0～360°；風(fēng)速誤差≤0.5m/s，風(fēng)向誤差≤3°；

溫度測量范圍：-40°～60°；溫度最大靜態(tài)測量誤差：0.2°；

氣壓測量范圍：300hPa～1100 hPa；氣壓最大測量誤差：1 hPa；

濕度測量范圍：1%～100%（相對濕度）；濕度最大靜態(tài)測量誤差：3%（相對濕度）；

無線傳輸模塊頻率范圍：433MHz～490MHz；最大輸出功率：8W；傳輸距離：空曠地15km；

無線圖傳模塊頻率范圍：1.2GHz；最大輸出功率：13W；傳輸距離：通視15km；

探測儀連續(xù)工作時間：≥20min。

3 下投式空降區(qū)域探測儀的實現(xiàn)

3.1 控制模塊設(shè)計

3.1.1 微處理器模塊設(shè)計

微處理器的主要功能：一是對各類外設(shè)進行控制。通過USART接口控制導(dǎo)航定位測風(fēng)模塊CC50III-BG、無線數(shù)字傳輸模塊、無線圖傳模塊；通過SPI總線控制AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）對溫度、濕度、氣壓進行采樣；通過IO口控制云臺。二是完成數(shù)據(jù)傳輸。微處理器將經(jīng)緯度、高度、時間和氣象數(shù)據(jù)按協(xié)議打包，通過無線數(shù)字傳輸模塊發(fā)送給機載接收系統(tǒng)。根據(jù)性價比并結(jié)合常見探空平臺的實現(xiàn)方案［7］，本設(shè)計采用意法半導(dǎo)體的STM32F103增強型微處理器構(gòu)成探測儀的控制核心。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸控制規(guī)程

本設(shè)計采用面向字符的傳輸控制規(guī)程，使用ASCII代碼集中的傳輸控制字符作為鏈路控制信息。如：SOH（報頭開始）；STX（正文開始）；ETX（正文結(jié)束）；EOT（傳輸結(jié)束）。下投式空降區(qū)域探測儀上報的數(shù)據(jù)幀格式為：同步頭+SOH+探測時間+衛(wèi)星時間+經(jīng)度+緯度+高度+氣溫+氣壓+濕度+ETX+CRC，數(shù)據(jù)傳送速率為每秒鐘1幀。如表1所示。

表1 探測儀上報數(shù)據(jù)格式

3.2 導(dǎo)航定位測風(fēng)模塊設(shè)計

測風(fēng)是探測儀最重要的功能，測風(fēng)效果決定了探測儀的性能優(yōu)劣，因此測風(fēng)模塊功能研究和設(shè)計尤為重要。

3.2.1 導(dǎo)航定位測風(fēng)模塊硬件實現(xiàn)

導(dǎo)航定位測風(fēng)模塊采用基于CC50III-BG的設(shè)計。CC50III-BG是目前具有最優(yōu)性價比的國產(chǎn)化北斗/GPS雙系統(tǒng)高精度導(dǎo)航模塊，廣泛應(yīng)用于北斗地基增強系統(tǒng)、車輛監(jiān)控/導(dǎo)航、氣象探空和授時等應(yīng)用領(lǐng)域。其水平定位精度為5m，垂直定位精度為10m，測速精度為0.1m/s。測風(fēng)模塊參考設(shè)計如圖2所示。

圖2 測風(fēng)模塊參考設(shè)計

上圖中控制邏輯由STM32F103的IO口提供，1Hz時間脈沖信號由STM32F103的定時器提供。TXD1、RXD1與STM32F103的UART1連接，提供串口通信。

3.2.2 風(fēng)速的計算

北斗導(dǎo)航模塊CC50III-BG可同時接收北斗和GPS信號，可以采用1）單北斗信號解算；2）單GPS信號解算；3）北斗和GPS信號混合解算等三種模式定位測速。本文采用混合解算模式，可以有效提高定位和測速的精度。利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測速的方法有測距定位法和多普勒頻移法兩種［8～9］。其中，多普勒法所獲取的風(fēng)速是瞬時值，受探測儀擺動影響波動較大，所以本文采用導(dǎo)航測風(fēng)，可以有效平滑瞬時誤差。

探測儀拋出穩(wěn)定后，下降速度約為6m/s～10m/s，系統(tǒng)采樣間隔為1s，期間探測儀下降約6m～10m。可以認(rèn)為在6m～10m的氣層厚度內(nèi)，水平氣流的速度保持不變，測出的風(fēng)速即為真實風(fēng)速，稱之為真風(fēng)。設(shè)探測儀在高度hi的坐標(biāo)為(xi,yi)，時間為ti，在高度hi-1的坐標(biāo)為(xi-1,yi-1)，時間為ti-1。則在第i層（高度Hi=(hi+hi-1)2）的風(fēng)速和風(fēng)向為

對于由降落傘攜帶的探測儀，不能忽略降落傘系統(tǒng)的慣性，系統(tǒng)在垂直方向的下降速度有加速度，因此不能直接把系統(tǒng)在水平方向的運動作為水平氣流的流動。兩高度間的層間合成風(fēng)，可由之間若干層真風(fēng)矢量的矢量和得到。由于各真風(fēng)層厚度不同，對合成風(fēng)貢獻也不同，可以根據(jù)各真風(fēng)層占兩高度間氣層總厚度的比例，對各層真風(fēng)矢量進行加權(quán)。加權(quán)后各層真風(fēng)公式如下：

式中thi是第i真風(fēng)層厚度，H為兩高度間氣層總厚度，vix、viy是第i真風(fēng)層對合成風(fēng)矢量在x、y方向的貢獻。

兩高度間的層間合成風(fēng)公式如下：

式中Vx、Vy為合成風(fēng)矢量在x、y軸上的分量，m、n為起始真風(fēng)層和終止真風(fēng)層。

3.3 氣象傳感器電路設(shè)計

傳感器電路主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和溫度、濕度、氣壓傳感器以及信號調(diào)理電路組成，如圖3所示。傳感器的選擇：1）溫度傳感器型號為PF1，屬于線繞式鉑電阻，溫度測量范圍為-80℃～+180℃；2）氣壓傳感器型號為MPM180，屬于壓阻式壓力敏感元件；3）濕度傳感器型號為SHT15，具有反應(yīng)時間快，敏感度高等優(yōu)點。模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794具有功耗低和完全模擬輸入終端，可用在低頻信號的測量中，集成了多路復(fù)用器和串行外圍接口（SPI）等，非常適合多通道的應(yīng)用。

圖3 傳感器電路框圖

3.4 無線圖傳發(fā)送模塊設(shè)計

編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)是信道編碼技術(shù)和OFDM技術(shù)的結(jié)合，由于加入信道編碼，該技術(shù)具有強大的糾錯功能，提高了抗多徑衰落和抗多譜勒頻移的能力［10～11］。由于本設(shè)計的接收部分位于高速運動的飛機上，采用COFDM技術(shù)可有效克服譜勒頻移影響。

無線圖傳發(fā)送模塊采用“DSP+正交DAC”的設(shè)計思路，如圖4所示。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過RS糾錯編碼、頻域交織、3/4碼率的TCM-16QAM編碼、快速傅里葉反變換（IFFT）、插入保護間隔等過程，最后通過正交調(diào)制器實現(xiàn)數(shù)字上變頻，從而完成COFDM調(diào)制。D/A變換之前的工作全部由DSP通過軟件編程實現(xiàn)，DSP選擇TI公司的TMS320C6748浮點處理器。正交調(diào)制器采用AD9957實現(xiàn)，DSP輸出的I、Q兩路信號經(jīng)過內(nèi)插、抽取、濾波、混頻、DA等過程，調(diào)制為中頻信號。中頻信號通過混頻上變頻到射頻頻段，然后經(jīng)過濾波和功率放大就可以發(fā)射出去了。

圖4 無線圖傳發(fā)送模塊框圖

3.5 無線數(shù)字傳輸模塊設(shè)計

無線數(shù)字傳輸模塊采用“單片機+無線收發(fā)芯片”的設(shè)計思路，如圖4所示。主控芯片采用C8051F930單片機，RF芯片采用Si4432無線收發(fā)芯片。Si4432內(nèi)部集成了數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，發(fā)送和接收FIFO、功率放大器、分集式天線等，所以只需要很少的外部原件就可以構(gòu)建一個高性能的無線收發(fā)系統(tǒng)。Si443不加功率放大器時的最大輸出功率就可達+20dBm，提供的雙天線設(shè)計和內(nèi)部集成算法能使有效發(fā)射距離提高50%以上，為了進一步提升通信距離，外加了M57704M功放模塊，使發(fā)射功率提高到8W～13W，有效的滿足了遠距離通信需求。RS232串口提供了簡單易用的操作接口，探測儀控制模塊按規(guī)定的通信協(xié)議，通過串口就可以很方便地發(fā)送、接收數(shù)據(jù)和對無線數(shù)字傳輸模塊進行控制。對探測儀控制模塊來說，無線數(shù)字傳輸模塊就是一個透明無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元。

4 結(jié)語

空降是一種傳統(tǒng)投送方式，在與先進制導(dǎo)技術(shù)和自動控制技術(shù)結(jié)合后，投送距離、精度和靈活性都有了極大提高，其軍事應(yīng)用也今非昔比［12］。歐美發(fā)達國家的防務(wù)公司在空降空投保障方面進行了大量的研究，研制出了一批多用途、自動化、高精度的保障系統(tǒng)，包括下投式探空儀、制導(dǎo)空投系統(tǒng)等［13～14］。這些系統(tǒng)基本都是基于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航體制工作的。我國在這方面進展不足，特別是在裝備研制方面還處于起步階段。發(fā)展基于北斗導(dǎo)航體制的空降空投保障裝備，擺脫對GPS系統(tǒng)的依賴，是提升我軍空降空投能力的現(xiàn)實需求。本文給出的基于北斗導(dǎo)航的下投式空降區(qū)域探測儀的設(shè)計方案，經(jīng)初步驗證具有良好的可行性和實用性。