精确制导火箭弹信息共线装定方法*

张　峰,胡峻铭,屈　操,许洪伟

(中国科学院自动化研究所,北京　100190)



精确制导火箭弹信息共线装定方法*

张峰,胡峻铭,屈操,许洪伟

(中国科学院自动化研究所,北京100190)

摘要:传统火箭弹点火供电线路的信号频谱中仅有低频段用于电能传输,其余频段均处于空闲状态,频谱利用率较低;在此基础之上,通过建立火箭弹点火供电线路的等效电路模型,获得了该线路的信道衰减和串扰特性,并依据该特性提出了一种利用空闲频率装定精确制导火箭弹制导信息的共线装定方法。测试结果表明,在不破坏现有火箭弹发射平台的基础上,该方法装定可靠、改造成本低,满足精确制导火箭弹装定需求,装定速率可以达到6 KB/s。

关键词:精确制导;火箭弹;信息共线装定

0引言

现代战争实践证明,信息化战争有别于传统作战的模式,精确制导武器因具有直接命中率高、作战效能高和智能化程度高等特点已经成为影响战争进程和结局的关键因素,传统弹药不具有精确制导武器设备的特点,作战效能低下,已经无法适应现代战场的作战要求。因此,对传统弹药的智能化改造成为了我国武器装备发展的热点问题。

目前,精确制导弹药在发射前都需要进行数据装定,其常见的装定方法有感应装定和线装定[1-2]。

针对传统火箭弹的智能化改造,无论采用感应装定或者线装定技术,都需要对现有的发射平台进行改造,增加了改造的成本。

文中通过分析传统火箭弹点火供电线路的信道传输特性,提出了一种火箭弹信息共线装定方法,该方法实现了电能和装定信息在点火供电线路上的共线传输。

1共线信道传输分析

传统的火箭弹都具有点火供电线路,该线路通过传输低压、直流信号来实现对火箭弹的发射点火控制。从频谱分析的角度而言,它的频谱利用率较低,可利用其空闲频段进行火箭弹装定信息的传输。

1.1高频载波调制与共线传输

依据信息通信理论,频率调制是实现频分复用的重要方法[4]。文中对数据基带信号进行高频载波调制后产生高频载波调制信号,其系统框图如图1(a)所示,数据基带信号的时域波形见图1(b),高频载波的时域波形见图1(c),高频载波调制信号的时域波形见图1(d)。

图1　高频载波调制的系统框图

将高频载波调制信号与火箭弹的电能信号通过如图2所示的结构进行处理后,可以实现火箭弹的电能与装定信息的共线传输。首先,对电能进行隔离,防止高频载波调制信号对电能回路进行干扰,然后将装定信号与电能信号进行耦合,完成耦合后的信号通过点火供电线路信道进行传输;在信道传输的末端,通过隔离电路从耦合信号中恢复出电能,通过解耦电路从耦合信号中恢复出装定信号。

图2　信息共线传输框图

1.2信道传输模型及分布式参数

依据微波传输线理论,当传输线的几何尺寸与电路系统的工作波长可比拟时,应当使用分布式参数进行电路描述[3]。

在分布式参数电路描述当中,当线缆满足下列条件:

1)传输线上传输的信号场的场结构是TEM波或者准TEM波;

2)传输的导线是均匀的、平行的;

3)穿过传输线任意横截面的电流代数和为零;

4)传输线内导线周围的介质在垂直于导线的任一横截面内假定是均匀的。

则可以建立均匀导体传输线模型。

依据上述理论,建立火箭弹点火供电线路的均匀导体传输线模型,其电报方程为:

(1)

式中:R、L、G、C是传输线单位长度下的电路分布式参数矩阵。

通过CST电缆工作室软件提取出火箭弹点火供电线路单位长度下的分布参数,其具体步骤如下:

1)火箭弹点火供电线路的物理参数如表1所示。

2)将表1中所示参数输入到CST电缆工作室软件中,以1cm为单位提取出它的分布式电路参数,其结果如表2所示。

表1　点火供电线路的物理参数

表2　点火供电线路分布式参数(在4 MHz条件下)

在提取出它的信道分布式电路参数后,借助CST电缆工作室仿真软件,采用均匀导体传输线模型对该线路的信道衰减特性和信道间串扰特性进行仿真分析。

1.3信道衰减特性分析

火箭弹点火供电线路是一种典型的线性、时不变、因果系统,其系统等效框图如图3所示,图3(a)为信道传输线电路图,图3(b)为信道传输线分布式等效电路图,图3(c)为信道传输线系统等效框图。

图3　信道传输的系统等效框图

在火箭弹点火供电线路保持零状态情况下,对该线路在100MHz的频率范围内的衰减特性进行仿真分析,首先产生一个带宽为100MHz的sa函数去逼近delta函数,作为信道传输衰减的系统输入激励,然后观察信道传输衰减的系统响应结果如图4所示。

图4(a)为输入激励的时域波形,图4(b)为输出响应的时域波形,对输入激励和输出响应分别做频谱分析,其结果如图5所示。

图4　信道输入和输出信号时域波形

由图5可知,图5(a)为输入激励的频谱图,由图可知,其在100MHz的频率范围内具有十分平坦的幅频特性;图5(b)则为输出响应的频谱图,由图可知,输出响应的频谱图在整体上较为满足单调下降的趋势,而在局部上则呈现出周期性波动的特点,其原因在于:

首先,由图3(b)可知,信道的传输阻抗可以表示为:

(2)

其次,通过式(2)可知,信道传输阻抗的实部可表示为电阻与电导的函数,虚部可表示为电感与电容的函数与角频率的乘积,则信道传输阻抗的模和相位角可表示为式(3)和式(4)所示:

(3)

(4)

最后,通过分析式(3)和式(4)可知,当频率逐渐升高时,信道传输阻抗的模会逐渐增大,相位角呈现出周期性变化,从而使得信道衰减响应的频谱在整体上呈现出单调递减的趋势,而在局部表现为周期性波动的特点。

将图5中的信道衰减响应频谱在10 MHz的频带范围内进行局部展开,如图6所示,分析图6可得到在10 MHz频率范围内信道传输的低衰减窗口,如表3所示。

表3　信道低衰减窗口

1.4信道间串扰特性分析

火箭弹点火供电线路的信道间串扰的系统模型,如图7所示,图7(a)为两条信道传输线电路图,图7(b)为两条信道传输线的分布式等效电路图,图7(c)为两条信道传输线的系统等效框图,其中H(jω,nn)为信道传输线路n的自身系统传输函数;H(jω,mn)为信道传输线路m对信道传输线路n的系统串扰传输函数(m≠n),x(t,n)为信道传输线路n的输入激励;y(t,n)为信道传输线路n的输出响应。

图5　信道的输入、输出频谱分析

图6　信道传输衰减的输出响应频谱(10 MHz范围内)

图7　信道间串扰的系统框图

取任意两条火箭弹点火供电线路,对其在100MHz频率范围内的信道间串扰特性进行仿真分析,首先产生一个带宽为100MHz的sa函数去逼近delta函数,作为线路1的输入激励,保持线路2无输入激励,然后观察线路2的输出响应结果如图8所示。

图8(a)为线路1的输入激励的时域波形,图8(b)为线路2的串扰输出响应的时域波形。

对图8中的时域波形分别做频谱分析,其结果如图9所示,其中图9(a)为输入激励的频谱,由图可知,输入激励在100MHz频带范围内具有平坦的幅频特性;图9(b)为线路串扰的响应频谱,串扰的响应幅度在整体上满足先增后减的趋势,而在局部上呈现出周期性波动的特点。

1.5小结

通过对信道的衰减特性和串扰特性的分析可知,不同频率的信号在信道传输中的衰减和串扰情况都不相同。图10示出了长度为15m的火箭弹点火供电线路在10MHz的频率范围内的信号衰减和信号串扰情况。

图8　信道间串扰的实验结果

由图10分析可知,当数据传输信号在长度为15m的信道上传输时,信道的衰减特性为:在1～2MHz范围内单调递减,当输入信号频率为2MHz时,其信号幅度衰减为输入信号幅度的90%,在3～5MHz范围内单调递增,当输入信号频率为5MHz时,其信号幅度衰减为输入信号幅度的93%;信道的串扰特性为:在1～10MHz范围单调递增,当输入信号频率为10MHz时,其串扰幅度是输入信号幅度的13%。综合考虑信道衰减和信道串扰两方面特性后,文中选择4MHz频率作为高频载波频率。

图9　信道间的输入、串扰频谱分析

2信息共线装定方法

通过分析传统火箭弹点火供电线路的信道特性可知,不同频率的信号在信道上的衰减和串扰幅度都不相同,且无论如何优化选择信号的载波频率都无法彻底消除信道间的串扰。文中提出的信息共线装定方法,主要通过采用相位编码来降低信号衰减对信息传输的影响,通过优化通信网络和流程来减弱信号串扰对信息传输的干扰。

图10　信道的衰减、串扰仿真结果(10 MHz大范围内)

2.1曼彻斯特码

曼彻斯特编码也被称作为相位编码,即使用电压跳变的相位不同来区分数字0和数字1。IEEE802.4标准协议规范中对曼彻斯特码的编码规则进行了详细约定。目前,曼彻斯特编码在数据传输领域得到了广泛应用。现代武器系统中常用的1553B串行总线就是基于曼彻斯特码的[5],局域网数据传输的数据编码也采用的是曼彻斯特码。

文中的信息共线装定方法采用曼彻斯特码的原因在于:曼彻斯特码作为一种相位编码方式,主要是依据相位的跳变来表示数字信号,因此,即便装定信号在信道传输中衰减较大,但只要解码器能够正确识别出信号的跳变就可以保证装定信号的解码正确;此外,曼彻斯特码自身隐含同步时钟,使得信号解码器设计更简单。

2.2优化的通信网络和流程

依据火箭弹的信息装定需求,信息共线装定方法中应当包含地面装定模块和弹载装定模块;信息装定类型应当包含有单管数据和广播数据。单管数据是火箭弹的私有数据,大致包括有目标位置信息、工况信息等;广播数据是火箭弹的公共数据,大致包括星历数据、气象数据等。

文中所设计的信息共线装定方法的数据通信拓扑结构如图11所示,它是一种改进的总线型通信拓扑结构。地面装定模块通过该拓扑结构控制火箭弹点火供电线路对火箭弹的供电情况,从而实现对每枚火箭弹总线地址的动态分配,保证了每枚火箭弹都具有唯一的总线地址。

在每枚火箭弹都具有唯一的总线地址的条件下,为了进一步降低信道间串扰对装定信息传输的干扰,地面装定模块向所有火箭弹同时发送包含有目标总线地址信息的装定数据,火箭弹在接收到装定数据后,通过判定目标总线地址信息与自身总线地址信息是否一致来判定当前装定数据是否为无效数据、单管数据或者广播数据。每枚火箭弹在完成单管数据接收、广播数据接收后完成数据的装定。

图11　信息共线装定方法的数据通信拓扑结构

在所有火箭弹完成数据装定的条件下,地面装定模块向所有火箭弹同时发送包含有目标总线地址信息的点火命令,火箭弹在接收到点火命令后,通过判定目标总线地址信息与自身总线地址信息是否一致来确定是否进行点火起飞。

3实验结果分析

依据上述信息共线装定方法,文中设计了一套可以完成40路火箭弹信息装定的共线装定系统。以下将主要通过模型仿真与实验验证的方法来分别分析火箭弹点火供电线路的信道衰减和信道间串扰情况。

3.1信道衰减测试与仿真分析

分析火箭弹点火供电线路的信道衰减情况的实验步骤如下所述:

1)使用CST电缆工作室软件对共线装定信道的衰减进行仿真,装定数据的信号幅度为2.1V,高频载波频率为4MHz,仿真观察信道两端的数据信号时域波形,其结果如图12所示,图12(a)为信道数据发送端的时域波形,图2(b)为信道数据接收端的时域波形。

图12　信道衰减仿真结果

2)对火箭弹信息共线装定系统进行衰减实验,其中装定数据的信号幅度和高频载波频率与步骤1)相同,使用数字示波器同时观测点火供电线路两端的数据信号时域波形,其结果如图13所示,图13(a)为数据发送端的时域波形,图13(b)为数据接收端的时域波形。

图13　信道衰减实验测试

对图12和图13进行对比分析,其结果如表4所示,由表4可知,实际实验测试结果与系统仿真结果有较好的一致性,从而验证了信息共线装定方法中对于信道的低衰减频率的选择的有效性。

表4　信道衰减实验测试与仿真结果

3.2信道间串扰测试与仿真分析

分析火箭弹点火供电线路间的信道串扰情况的实验步骤如下所述:

1)使用CST电缆工作室软件对共线装定信道间的串扰进行仿真,在CST中平行建立信道a和信道b,对信道a发送装定数据,其信号幅度为4.1V,高频载波频率为4MHz,线路b保持无数据发送状态,仿真观察信道b的传输串扰情况,其结果如图14所示,图14(a)为信道a的发送数据信号时域波形,图14(b)为信道b的数据串扰信号时域波形。

图14　传输信道间串扰的仿真结果

2)对火箭弹信息共线装定系统进行串扰实验,其实验条件与步骤1)相同,使用数字示波器同时观测线路a和线路b上的数据信号时域波形,其结果如图15所示,图15(a)为线路a上的发送数据信号的时域波形,图15(b)为线路b上的接收串扰信号的时域波形。

图15　信道间串扰实验测试

对图14和图15进行对比分析,其结果如表5所示,由表5可知,实际实验测试结果与系统仿真结果之间存在一定误差,忽略信道间部分电路寄生参数是产生该误差的主要原因。在这种合理误差范围内,实验结果与仿真结果仍具有较好的一致性趋势,从而验证了信息共线装定方法中对于信道间的低串扰频率选择的有效性。

表5　信道间串扰实验测试与仿真结果

综上所述,文中所设计的40路火箭弹信息共线装定系统的实验测试结果与CST电缆工作室软件仿真结果具有较好的一致性。此外,现场测试结果表明,在信息装定速率为6KB/s的情况下,该系统可以在60s内完成40路火箭弹的信息装定,具有高效性和高可靠性。

4结论

针对传统火箭弹的智能化改造,文中通过分析火箭弹点火供电线路的信道衰减和串扰特性,提出了一种火箭弹信息共线装定方法。该方法在不破坏现有发射平台的条件下,实现了电能和装定信息在火箭弹点火供电线路上的共线传输。基于该方法研制出一款通用共线装定模块,测试结果表明,该模块装定可靠、改造成本低,满足精确制导火箭弹装定需求,装定速率可以达到6KB/s。

参考文献:

[1]王莉, 张河.FSO在引信装定技术中的应用分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(2): 256-258.

[2]张志. 感应装定数据传输技术研究 [D]. 太原: 中北大学, 2014.

[3]刘学观, 郭辉萍. 微波技术与天线 [M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2012: 48-49.

[4]樊昌信. 通信原理 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2013: 295-297.

[5]周青山, 王珏, 谭辉. 基于曼彻斯特码的通信协议设计及实现 [J]. 计算机应用, 2011, 31(8): 2065-2068.

*收稿日期:2015-01-07

作者简介:张峰(1977-),男,山西运城人,高级工程师,硕士,研究方向:智能弹药装定技术、磁隔离技术。

中图分类号:TJ41

文献标志码:A

InformationSettingbyCollineationonPrecision-guidedRockets

ZHANGFeng,HUJunming,QUCao,XUHongwei

(InstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

Abstract:Signal spectrum in rocket’s power line was analyzed and found that it had only low-frequency component that used to provide rocket’s power, other frequency components were idle, and utilization of frequency spectrum was low. On this basis, the distributed circuit models of rocket’s power line were established, the attenuation and crosstalk characteristics of it were obtained through analyzing the circuit model, the method of information setting by collineation on the precision-guided rockets using the idle frequency was proposed. The results of filed test show that this method could achieve reliable setting, low cost of renovation without changing existing rockets launching platform, which could meet the needs of precision-guided rockets setter, the rate of its information setting can reach 6 KB/s.

Keywords:precision guidance; rockets; information setting by collineation