卫星授时的弹丸飞行时间测试方法

孙 健，杨慧武

（中国白城兵器试验中心，吉林 白城137001）

弹丸飞行时间测试是靶场试验的一个重要测试项目，其测试方法主要有2种，即雷达测试和区截装置测试［1］。轻武器弹道低伸，弹丸体积小、速度快，雷达测试存在一定难度，因此轻武器弹丸飞行时间测试大多采用区截装置和计时仪相结合的方式，并利用信号线实现测量控制和数据传输。这种有线传输方式的试验准备时间长、效率低，特别是当地形条件复杂导致无法布线时，则无法进行试验。为解决这一问题，本文提出了采用无线传输、利用卫星授时的弹丸飞行时间测试方法。

1 采用有线传输方式测试弹丸飞行时间存在的问题

1.1 有线传输测试方法的基本原理

轻武器弹丸飞行时间测试一般是参考枪械有效射程，测量从枪口到距枪口一定距离处弹丸的飞行时间。采用有线传输方式测试弹丸飞行时间的原理如图1所示。图1中，用红外探测器或炮口夹作为区截装置1来感知弹丸飞出枪口时的信号，利用传输电缆将该信号传输到多路计时仪，并用该信号启动多路计时仪开始计时；用广角单幕或多幕天幕靶等作为区截装置2感知弹丸飞跃区截装置2的信号，用传输电缆将该信号传输到多路计时仪，并用该信号停止多路计时仪计时，此时多路计时仪记录的时间值即为弹丸从枪口飞到区截装置2的飞行时间［2］。

图1 采用有线传输方式测试弹丸飞行时间的测试原理图

1.2 有线传输测试方法存在的问题

首先，在测试弹丸飞行时间时，测试距离少则几百m，多则上km甚至几km，采用有线传输方式测试时，从枪口到测试点之间要布设至少一根长信号线（当要同时测量多点的飞行时间时，则需要布设多根信号线），每根信号线又由多根200m长的短信号线通过连接插座连接而成，信号传输线路的可靠性差，试验过程中经常出现问题，影响试验的正常进行。

第二，采用有线传输方式进行弹丸飞行时间测试，测试前要进行布线和设备联调，试验准备时间长，试验后还要撤收电缆，人力、物力消耗大，并严重影响试验效率。特别是当试验场区的地形条件比较复杂时，有可能无法完成布线，导致试验无法进行。

2 卫星授时的弹丸飞行时间测试方法

2.1 测试系统的构成

卫星授时的弹丸飞行时间测试系统主要由2套区截装置和2套数据采集与处理系统构成，如图2所示。其中区截装置由炮口夹、红外探测器和广角天幕靶等组成；数据采集与处理系统由多路计时仪、计算机、GPS（或北斗）时间模块和无线传输模块组成。

GPS时间模块的功能是向多路计时仪提供秒时钟脉冲信号（频率为1Hz的时钟脉冲信号），并通过RS232接口将该秒时钟脉冲信号的每一个正脉冲信号到来时的时间值（协调世界时，又称世界统一时间、世界标准时间、国际协调时间，简称UTC，是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统）传送给计算机［3－4］。

多路计时仪的功能是接收GPS时间模块提供的秒时钟信号，在该信号的控制下将多路计时仪记录的时间值同步到UTC上，并完成多通道0.1μs级的计时。

计算机的功能，一是通过RS232接口接收GPS时间模块提供的用于对多路计时仪进行时间同步的秒时钟脉冲到来时的时间值（UTC），精确到s；二是读取多路计时仪纪录的多通道0.1μs级的时间值，并将二者合成为0.1μs级以UTC的0时为基准的时间值。

无线传输模块的功能，一是将数据采集与处理系统采集到的时间数据传输到另一个数据采集与处理系统中；二是接收另一个数据采集与处理系统采集到的时间数据。

区截装置用来拾取弹丸飞出枪（炮）口和弹丸飞到弹道上某一固定位置的信号，用来启动和停止多路计时仪计时。

图2 卫星授时的弹丸飞行时间测试系统组成原理图

2.2 测试系统工作原理

卫星授时的弹丸飞行时间测试系统的工作原理如图3所示。

图3 卫星授时的弹丸飞行时间测试系统工作原理图

系统加电后，GPS时间模块开始向多路计时仪发送秒时钟脉冲信号（频率为1Hz的时钟脉冲信号），在每一个秒时钟脉冲的上升沿到来时，通过RS232接口向计算机发送UTC时间数据（精确到s）。当多路计时仪接收到计算机发送的复位命令后，在下一个有效的GPS秒时钟脉冲到来时对多路计时仪进行初始化，此时计算机通过RS232接口读取GPS时间模块提供的时间数据（UTC），数据采集与处理系统1读取的UTC（时间值）为t11，数据采集与处理系统2读取的UTC（时间值）为t21，使数据采集与处理系统与GPS提供的UTC同步，同时多路计时仪开始计时。当弹丸飞出枪（炮）口时，由区截装置1给出弹丸飞出枪（炮）口的信号，使多路计时仪1停止计时，此时多路计时仪1计得的时间值为t12；当弹丸飞过区截装置2时，由区截装置2给出弹丸飞过区截装置2的信号，使多路计时仪2停止计时，此时多路计时仪2计得的时间值为t22。由此可以得到弹丸飞出枪（炮）口的时间t1＝t11＋t12（0.1μs级以UTC的0时为基础的时间值），弹丸飞过区截装置2的时间t2＝t21＋t22（0.1μs级以UTC的0时为基准的时间值），再由无线传输模块将t2传送到数据采集与处理系统1，则弹丸从出枪（炮）口飞行至区截装置2的飞行时间t＝t2－t1。

3 数据采集与处理系统设计

3.1 数据采集与处理系统组成

数据采集与处理系统由多路计时仪、GPS时间模块、无线传输模块、计算机、打印机和数据采集与处理软件组成（参见图2）。

3.2 多路计时仪设计

多路计时仪由信号调理器、存储器写控制信号发生器、信号存储器、时间存储器、计数器、I／O接口、时钟信号发生器和同步处理电路组成，如图4所示。

图4 数据采集与处理系统组成原理图

图4 中区截装置的作用是拾取弹丸位置信号，用来启动和停止多路计时仪计时。

信号调理器的作用是将区截装置提供的弹丸位置信号转换为宽度为10μs、幅度为TTL电平的低电平信号。

存储器写控制信号发生器的作用是在时钟脉冲信号的上升沿到来时将触发信号转换为宽度为一个时钟周期、幅度为TTL电平的低电平信号，即触发信号信息；在该时钟脉冲信号的下降沿到来时，产生一个宽度为半个时钟周期、幅度为TTL电平的低电平信号，即存储器写控制信号，在该信号的作用下，将触发信号信息存入信号存储器，将触发信号到来时的时间信息（计数器输出的计数值）存入时间存储器。

信号存储器的作用是用来存储触发信号信息。该存储器由1 024×c（深度为1 024，宽度为c，且c等于多路计时仪的通道数）、带独立读写指针（读指针和写指针独立）和空标志位、可清除的先入先出存储器构成。当通道数较少时，存储器的位数c一般与计时仪的通道数一致；当通道数较多时，为了减少存储器的位数（主要是为了减少硬件的数量），可以采用分区编码技术。例如当通道数为64时，如不采用分区编码技术，则信号存储器的位数c应为64；若将64个触发信号分成8个区，每个区中有8个触发信号，则只需要16（c为16）位信号存储器就能满足要求。

时间存储器的作用是用来存储计数器记录的时间信息。该存储器由1 024×16（深度为1 024，宽度为16）、带独立读写指针（读指针和写指针独立）和空标志位、可清除的先入先出存储器构成。

计数器的作用是用来对计时时钟信号进行计数。该计数器采用硬件和软件相结合的方式设计，硬件计数部分为带进位端可同步清除的16位2进制计数器，当时钟频率为10MHz时，最大计时时间为6.553 6ms，即每隔6.553 6ms产生一个进位信号；软件计数部分是在计算机内存中开辟一个存储区（假设该存储区中的数字用a表示），计算机每检测到一个低16位计数器（硬件计数器）输出的进位信号后，将该存储区中的数字a加1，如低16位计数器（硬件计数器）记录的计时时钟信号的脉冲信号的个数用b表示，则计时仪记录的时间值t＝6 553.6a＋b，单位为μs。

时钟信号发生器的作用是为多路计时仪提供计时时钟信号。该时钟信号发生器采用高稳定度的恒温晶体振荡器设计，其输出的时钟信号的频率为10MHz，幅度为TTL电平，占空比为50%的方波信号，因此时间分辨率为0.1μs。

同步处理电路的作用是产生一个低电平的复位信号，用来对多路计时仪进行初始化（即清零），使多路计时仪的零时与UTC的秒时间一致。

3.3 数据采集处理系统工作原理

系统加电后，GPS时间模块开始向多路计时仪发送秒时钟脉冲信号（频率为1Hz的时钟脉冲信号），在每一个秒时钟脉冲的上升沿到来时，通过RS232接口向计算机发送GPS（UTC）时间数据（精确到s）。当多路计时仪接收到计算机发送的初始化控制信号后，在下一个有效的GPS秒时钟脉冲信号的上升沿到来时产生一个宽度为一个GPS秒时钟脉冲信号周期（1s）的低电平信号，即时间同步信号（复位信号），对计数器、信号存储器和时间存储器进行初始化清零，同时将该信号通过I／O接口发送给计算机；当时间同步信号结束后（上升沿到来时），计数器开始计数，计算机通过I／O接口读取GPS时间模块发送的GPS时间数据t11。当区截装置产生的触发信号通过电缆送至数据采集与处理系统的信号调理器后，由信号调理器将其调整为宽度为10μs、幅度为TTL电平的低电平触发信号；存储器写控制信号发生器接收到信号调理器输出的触发信号后，在下一个时钟脉冲信号的上升沿到来时将触发信号转换为宽度为一个时钟周期、幅度为TTL电平的低电平信号，即触发信号信息；在该时钟脉冲信号的下降沿到来时，产生一个宽度为半个时钟周期、幅度为TTL电平的低电平信号，即存储器写控制信号，在该信号的作用下，将触发信号信息存入信号存储器，将触发信号到来时的时间信号（计数器输出的计数值）存入时间存储器；计算机通过I／O接口将存储在信号存储器和时间存储器中的触发信号信息和触发信号到来时的时间信息读出，根据预先设定的程序进行分析、计算和处理，即可得到多路计时仪记录的弹丸飞过区截装置的时间值t12（相对于系统初始化时的GPS时间t11），则弹丸飞过区截装置的时间值t1＝t11＋t12。

3.4 数据采集与处理系统软件介绍

数据采集与处理软件的功能，一是对数据采集与处理系统进行同步控制，即系统启动时，计算机通过I／O口向同步处理电路发送初始化控制命令，使数据采集与处理系统与下一个有效的GPS秒时钟脉冲信号同步，同时读取该时刻GPS时间值；二是采集测试数据，即将存储在信号存贮器中的触发信号信息和进位信号信息及存储在时间存储器中的时间信息读入计算机中，并将其存储在计算机的内存中；三是将数据采集与处理系统1测得的弹丸飞出枪口的时间值t1传输到数据采集与处理系统2，将数据采集与处理系统2测得的弹丸飞过区截装置2的时间值t2传输到数据采集与处理系统1；四是进行数据处理，即根据设定的程序和数据处理方法对存储在计算机内存中的数据进行分析、处理，计算出所需结果；五是显示输出结果，即将分析、处理所得数据在计算机屏幕上显示并送打印机输出。

数据采集与处理软件运行的环境适用当前主流操作系统，既 Windows9X、Windows2000和 WindowsXP。因此必须设计上述3种操作系统的设备驱动程序，该软件能自动识别操作系统，自动安装相应的设备驱动程序。

4 结束语

采用本文方法研制了一套基于GPS的弹丸飞行时间测试系统，由于GPS受时系统（GPS时间模块）的受时精度可以达到40ns以上，多路计时仪本身的计时精度也可以达到10－7以上（恒温晶体振荡器的频率稳定度和准确度可以达到10－9和10－8）。使用该方法与有线传输的弹丸飞行时间测试方法进行对比测试，其相对误差优于10－7（GPS受时系统带来的误差），而试验效率可以提高3倍以上。

［1］孟继一，范启胜，程学林.轻武器测试技术［M］.北京：国防工业出版社，2005.MENG Ji－yi，FAN Qi－sheng，CHENG Xue－lin.Small arms testing technique［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2005.（in Chinese）

［2］董涛，倪晋平，马时亮.基于天幕靶的弹丸飞行时间计算方法［J］.探测与控制学报，2007，29（3）：29－33.DONG Tao，NI Jin－ping，MA Shi－liang.A method of computing the pill flying time based on shy screens［J］.Journal of Detection ＆ Control，2007，29（3）：29－33.（in Chinese）

［3］张勤.GPS测量原理及应用［M］.北京：科学出版社，2010.ZHANG Qin.GPS measuring principle and applications［M］.Beijing：Science Press，2010.（in Chinese）

［4］戚淑芬，李明，李利洁，等.嵌入式GPS数据采集系统的设计与实现［J］.仪器仪表学报，2006，27（增刊1）：127－129.QI Shu－fen，LI Ming，LI Li－jie，et al.Design and realization of GPS data acquisition system based onembeded system［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27（s1）：127－129.（in Chinese）