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【摘 要 】 空空多目标探测试飞是机载传感器关键试飞技术,本文介绍了一种基于GPS时统的时分多址远程数传引导定位系统,用于在机载传感器多目标试飞中通过无线数据传输实时获取多个目标的位置、速度和姿态等数据,实现对多个目标平台编队的实时定位和引导.

【关 键 词 】 多目标探测试飞GPSTDMA数传引导

引言

在未来空战中,战斗机所具备的超视距多目标攻击能力可以使每架飞机能同时有效地对多个视距外目标实施远程攻击,极大的提高作战效能、生存率和对敌机的杀伤概率,所以远程多目标攻击将成为新一代战斗机最主要作战方式之一.

在飞行试验中,为了考核空中作战平台对多个目标的探测、跟踪等态势感知能力,需要给试验机准备的配试目标包括有人驾驶目标机、无人机、地面移动目标等等.上述配试目标分布范围广泛,空间位置各异,导致本场雷达监控困难,无法进行飞行指挥,需要建立远程数传引导系统,用以传输记录配试目标平台的位置、速度和姿态等数据,即可实时获取包括载机平台和各目标的试飞空域整体真实态势,一方面便于试飞过程中实时指挥引导,另一方面飞行后将系统记录数据处理分析,作为载机平台传感器态势感知效果评估的基准数据.

2.需求分析

在以本场为中心,半径300km空域内,给1架载机提供6架有人驾驶目标机和4架无人驾驶目标机作为配试目标.试飞过程中为了掌握空域态势和对多个配试目标进行实时引导,需要构建10架目标机群对1架载机的远程数传引导网络,其中各个目标平台将位置速度姿态等数据直接传输给载机,无人机的其他相关信息从地面遥测车获取,可以通过地空通信台传给载机.

表1电台数据接口格式

图1远程数传引导系统拓扑结构示意图

需求目标是构建载机平台对目标机群的实时远程数传引导系统,将目标机组中各个成员的时间位置速度信息实时传给载机平台,系统同时记录所有飞机的GPS双频原始观测数据和位置速度姿态数据,用于事后载波相位差分和后处理.系统拓扑结构示意见图1.

3.引导系统数传设备选型

根据试飞需求,要构建一个10对1的单工通信网络系统.因为考虑到编队中各个目标单元输出信息传输量不大,并且均自带高精度的时统系统,所以数传引导系统选定基于GPS时统的TDMA多对一单工模式.

针对多对一单工网络通信系统,目前常见数传设备类型有基于IP的无线通信网络电台、扩调频电台和调频电台等等.基于IP的无线电网络电台主要工作在300 MHz左右的频段上,在所指定工作频段之间无成熟产品.现有扩频电台产品存在带外抑制较差的问题,会对周围其他无线电设备带来较大的干扰.

多机编队试飞时,因为目标机和载机的相对位置迅速变化,使得载机系统接收功率不断变化,为此,需要在传输数据中设计帧同步头,其时间表现为通信建立时间.为此,应选择数据建立时间短的调频数传电台.

系统选用了一种相应的数据建立时间为10m的调频数传电台,可选10ms的帧同步头用作数据建立,相应的比特数为192bits.

该调频数传电台采用了相位连续变化的频移键控(CPFSK)数字频率调制方法,来需控制相位的连续性,信道外抑制可达60dB.此外,该调频数传电台还采用了自适应均衡技术以消除在传输中由于多径、(中继)群延时引起的波形失真、混迭以获得更好的接收性能,同时采用码前向纠错和ARQ-CRC技术以确保数据接收的正确率.

4.引导系统数据传输格式和TDMA时序设计

在该引导系统中,各个目标平台的实时定位位置、速度和姿态等数据通过数传电台送至载机平台,数传链路中需要周期性传输的目标数据主要是各架目标机的GPS定位数据,包括NMEA0183 GGA、VTG和RMC等信息.

NMEA0183 GGA(GPS定位信息)数据格式共计80Byte,其中差分时间、差分站ID号、星数、地球基准椭球面相对于大地水准面的高度差、HDOP、GPS状态等7项参量不进行传输,基本传输数据共计64Byte.

NMEA0183 VTG(地面速度信息)共计41Byte.其中磁航向角、节表示的地面速率等参量不进行传输,基本传输数据共计33Byte.

NMEA0183 RMC(推荐定位信息)共计72Byte.其中UTC日期、磁偏角等参量不进行传输,基本传输数据共计60Byte.

引导系统采用时分多址复用TDMA的工作体制,TDMA周期为1s.系统TDMA数据格式和工作时序的设计需考虑不传输差分信号和传输差分信号两种情况.引导系统数据传输速率设定为19200bps,带宽为25KHz,采用CPFSK调制方式,系统使用的数传电台的数据接口格式见表1.

为了降低数据率,系统选择8Bits数据位和1Bit停止位的数据格式.经过计算得知,在1秒内,各个目标机平台传输定位数据最多达到873Bits,再加上192Bits的帧头,每秒传输的比特数最高为1065 Bits,10个单机的通信波特率为10650bps,系统设定的19.2Kbps通讯速率满足使用要求.

其中,各目标平台利用接收的GPS时序工作.各目标平台的TDMA控制模块以GPS接收机所接收的GPS秒脉冲下沿为时间参考,根据预先设计的时隙划分,精确控制各数传电台的收、发动作.目标平台编号与所用时序延迟相同.在不发送差分信息时,各个目标平台发送从定位信息NMEA0183 GGA和VTG中选取的数据共计97Byte

考虑到数据保密和对传输数据进行纠错,引导系统采用纠错编码和交织编码,可计算增益为19.2K/10650等于1.8.为了保险起见,系统选择增益为1.5的纠错交织编码.10个端机传输数据总量为15975 Bits,采用19.2Kbps波特率传输时占用时间为833ms,空闲时间为167ms,分配给10个目标平台后的空闲时间为16.7ms,即传输保护时间为16.7ms,满足最大传输距离内的保护要求,为了简便起见,系统选取保护时间为15ms.

此时,整个系统在1s周期内的工作时序如图2所示.

图2传送GGA/VTG信息时系统TDMA时序分配图

考虑引导系统传输差分信号的情况,各目标机平台定时接收地面站播发的GPS差分校正数据和自身GPS定位数据,对GPS定位数据进行差分修正,得到比较精确的定位数据,以TDMA的方式定时通过数传链路发送,若系统要求同时支持RTCM2.3,需要尽量减少目标平台的数据传输,此时使用NMEA0183RMC数据格式.

若采用RTK差分和信息采集共用方式,可以采用半双工方式和1Hz数据速率,同时,应给CTS/RTS和RTS/CTS留有余量.系统数传电台的CTS/RTS、RTS/CTS的转换时间均为20ms,所以要求1s周期内应预留40ms的转换时间.

在1s周期内,各个目标平台传输位置、速度和姿态等数据的比特数为基本信息/全信息等于60*9/72*9等于540/648Bits,再加上192Bits的帧头,每秒传输的比特数为732/840Bits,10个目标平台的通信波特率为7320/8400bps,占用时间为382ms/437.5ms,采用500ms发射时隙,保护时间为118ms/62.5ms,各个单机的保护时间为11.8ms/6.25ms,系统覆盖范围要求的保护时间为1ms,为保险起见,取