外弹道组网测试引导控制系统设计

2018-01-25王祖良樊凌雁黄世奇王荔斌

宇航计测技术 2017年6期

王祖良樊凌雁黄世奇张婷王荔斌

(1.西京学院信息工程学院物联网与大数据技术研究中心，西安 710123；2.杭州电子科技大学微电子研究中心，杭州 310018)

1 引言

在外弹道测试中常常采用光电设备、雷达设备及遥测设备对同一弹道同时跟踪测试[1,2]，这些设备本身均有目标跟踪能力，只要飞行目标进入其视场即可自动跟踪目标完成弹道测试。但由于测站布设、地形地貌等的影响，对于导弹等快速飞行目标，往往会发生某一台或多台设备捕获不到目标，或者中途丢失目标的情况，造成关键数据丢失。组网测试是基于TCP/IP协议的以太网技术，将光电测试设备、雷达系统及遥测系统等测试系统实现互联互通，在引导控制中心的统一调度下实现测试信息融合和实时互引导，可大幅提高测试成功概率[3,4]。利用组网测试技术可以在引导和测量数据所覆盖的弹道段上互为补充，测试参数互为备份和参考，合理利用各测量系统的特长，使各测量系统在最能发挥作用的弹道段完成测试任务，显著提高单套设备的数据采集率[5～9]。杨宗伟[7]通过以太网组建测试网络,建立了统一的时间和空间基准,并给出了坐标转换等相关算法。当前文献研究网络化航空测量、机载测试较多，而对弹道的网络化测量研究较少。方国强等[10]针对弹道中段目标测量跟踪问题,将卡尔曼滤波应用于目标检测平滑和预测处理,建立了状态方程和量测方程。

本文对外弹道组网测量方法进行研究，主要针对由光电设备、雷达设备及遥测系统组成的网络化测试系统，设计实现实时互引导控制系统。

2 组网测试功能需求

系统汇集来自各测站的数据，对弹道数据进行量纲统一、异常值剔除、精度分析、坐标转换、提取时标等一系列处理，根据预先设定的引导规则优选引导源，根据时延大小对引导源进行实时弹道外推，利用该弹道数据实时引导其它设备跟踪目标。

引控设备类型含三类：雷达(国产雷达无需代理主机，进口雷达需要利用代理主机实现)，遥测设备，光电设备；引导源优选规则：按照人工实时指定、预先设置、实时优选逐步降低的顺序选择引导源。

数据链路包括光纤信道和无线信道，有不同的网络时延特性，需要考虑弹道外推；传输有误码，接收端需要做CRC校验。节点类型包括测试设备和主机，引导控制软件运行在主机端。

3 引导控制系统设计

3.1 系统构成

组网测控系统由引导控制中心、测试设备以及基础网络构成，如图1所示。

基础网络由4套SDH组成的骨干光纤网络和3台无线Mesh通信车组成。骨干光纤网的4套传输设备分别位于指控中心、中继测试点1、中继测试点2以及落区测试点；3套无线Mesh通信车分别部署在中继测试点1、中继测试点2及落区测试点，实现各周边15km范围的机动点位的数据、视频等业务的接入功能。引导控制中心接收光电经纬仪、雷达及遥测数据，并实时解算目标坐标，通过数据融合等处理，优选外弹道数据，并向所有测试设备广播。测试设备收到优选弹道数据，如果本设备处于正常跟踪目标状态，则对优选弹道数据不予处理，如果已丢失目标，则利用从引导控制中心收到的优选弹道数据快速引导本设备跟踪目标，从而完成测试设备的互引导。

图1中实线为上行数据传输，虚线为下行数据传输。光电设备：上行数据传输，光电设备每组通过一台汇集中心主机实现弹道交会，解算出弹道数据上报至引导控制中心。下行数据传输，引控中心将引导坐标直接传输至每台光电设备，不经过汇集中心主机。遥测设备：与引导控制中心直接双向传输数据。测距雷达：与引导控制中心直接双向传输数据。韦伯雷达：由于韦伯进口雷达由于无法获得数据驱动接口的通信格式，通过代理主机实现双向数据传输。

3.2 引导控制中心软件模块组成

引导控制中心软件模块组成如图2所示。用户管理模块负责管理用户信息，对不同用户进行分级管理。任务调度模块按照引导控制处理流程对接收和发送线程进行调度处理，发送采用组播方式，接收采用一对一通信方式。IP组播为无根组播，每个加入组播的成员都是叶子节点，其地位均相同，既可以作为信源广播发送者也可以作为信宿接收者。分组引导要求单向组播，即引导控制中心向各测试设备组播，测试设备之间不能彼此收发数据，否则会带来干扰。为解决该问题，采用收发分线程实现，即引导控制软件采用单播线程专门负责接收数据，组播线程专门负责向本组组播地址发送数据。各测试设备单播向引导控制中心发送数据，不向组播地址发送数据，只接收组播数据。任务调度模块根据接收数据类型启动相应的弹道解算模块，及后续处理模块进行处理。设备管理模块负责测试设备的注册、更新以及设备分组管理。数据通信模块采用套接字编程方式实现底层通信，为保证引导控制的实时性，采用UDP通信方式，保证在程序运行过程中引控软件和设备之间保持半相关状态。存储管理模块负责对测试数据的存储，以备离线数据分析。实时显示模块负责弹道的实时显示。数据处理模块是系统设计的核心部分，在后续几个小节分别详细介绍。

3.3 韦伯雷达数据传输方法

韦伯雷达需要利用代理主机进行协议转换，如图3所示。

代理主机实现通信协议转换，即收即发不作其他处理，最大限度减少时延。

3.4 光测多站交会

3.4.1 坐标系及符号说明

按试验要求事先选定坐标原点O，X轴为坐标北，Y轴为高程，Z轴与X轴、Y轴构成右手系。(x1,y1,z1)：O1站经纬仪在测量坐标系O-XYZ的坐标。(x2,y2,z2)：O2站经纬仪在测量坐标系O-XYZ的坐标。(x,y,z)：目标M在测量坐标系O-XYZ的坐标。α1，λ1分别为O1站经纬仪测得目标M的方位角、高低角。α2，λ2分别为O2站经纬仪测得目标M的方位角、高低角。

3.4.2 异面交会算法

华南理工大学食品科学与工程学院是通过选择条件比较好的企事业单位来建立“大学生实习基地”，学校资助一定经费并且近年有较大增长，其余费用让基地单位来承担，学生不承担任何实习费用。根据各单位的经济状况，可以自愿给予学生一定的补助，校方和学生不得强求。针对食品质量与安全专业，已建立的毕业实习基地有十多家，主要包括广东、珠海和东莞出入境检验检疫局及其技术中心、广州分析测试中心、广州市食品药品监督管理局检测所、东莞市农产品检测所和珠江啤酒股份有限公司等大中型企业。大多数实习单位承担了学生的住宿费用，如果没有教育部门及社会各界对“大学生实习基地”的支持，这种机制是难以持久的。

采用异面交会算法，计算公式如式(1)所示。

(1)

式中：m1、m2、K、l1、l2——分别为中间变量;ρ——加权系数,ρ∈[0,1]，根据各经纬仪测量精度适当选取，当两台经纬仪测角精度相同时取0.5。

3.5 弹道选优算法

3.5.1 算法流程

弹道选优算法流程如图4所示。

经过仿真实验，并平衡计算复杂度和优选精度，利用前5个点的数据作最小二乘预测当前弹道值。另一方面，利用莱特准则从各测试设备所测得的当前弹道数值中挑选残差最大的测量弹道。将预测值与利用莱特准则挑选的残差最大的测量弹道进行比对，如果优选弹道最接近残差最大的弹道，则当成弹道有突变，利用莱特准则优选弹道，否则利用最小二乘预测值作为优选弹道。

3.5.2 预估算法

预估算法采用基于滑窗式最小二乘法，将优选出的弹道数据按照FIFO(先进先出)规则逐步滑动存入数组A[n-i]，i=1,2…5，利用A[n-i]估算当前值A[n]。示意图如图5所示。

Ui=b0+b1(ih)+b2(ih)2

(2)

式中:b0、b1、b2——分别为多项式系数。

递推求解步骤

b0=N-1∑ui

(3)

(4)

(5)

式中：ui——以h为间隔接收到的弹道数据，用以预测当前值；N=5。

3.5.3 有效性检验

采用莱特准则对优选弹道进行有效性检验，假设同组光电设备交叉交会得出的多条弹道为x(i)，i=1,2，…，K，算数均值为

(6)

则原始弹道残差绝对值为

(7)

当通过滑窗最小二乘预估法优选弹道不是最大残差时可以认为优选弹道有效，将优选弹道上报引控中心；如果滑窗最小二乘预估法优选弹道与莱特准则计算的残差最大信道重叠时，认为弹道发生突变，按照以下准则优选当前弹道：

首先计算标准差

(8)

将残差绝对值xδ(i)逐一与标准差的3倍进行比较以剔除异常值，如果残差xδ(i)≥3σ，则将此异常值剔除。由于异常值本身会对数据标准差产生影响，因此莱特准则需要循环进行，即在一次剔除需重新计算均值和标准差，再次进行异常值剔除，重复剔除两次以后，取均值作为优选信道上报引导控制中心。

4 试验结果

由于外弹道测试试验成本高，无法专门为组网测试系统进行考核性试验，只能利用测试试验任务进行有限次的考核试验。按照本文提出的组网测试方法改造升级了西北某试验靶场，该靶场为长形主靶道，长300km，宽20km。改造系统引导频率为50帧/s，即引导间隔为20ms。能够处理各种跟踪雷达、搜索雷达、光电设备、遥测地面站的测量数据路数为32路，数据融合处理最小周期为100ms，单路测量数据平均处理时间小于1ms，引导数据平均处理时间小于2ms。改造后的引导控制主控界面如图6所示。经过5次试验并统计测试结果，表明改造后光电设备跟踪率得到了明显提升，从75%左右提高到了96%左右。