北斗卫星导航技术在遥控靶船上的应用

2018-11-29程天庆韩小钢

船电技术 2018年11期

程天庆，韩小钢

北斗卫星导航技术在遥控靶船上的应用

程天庆，韩小钢

（海军大连舰艇学院，辽宁 116018）

我国自主研制的北斗卫星定位导航系统（BDS）特有的定位、短报文通信功能，该技术的应用为海军遥控靶船提供一种可靠性高、工作稳定的自动化控制方式，既可实现遥控靶船的精确定位、定向测量，也可实现运行数据的实时上传、遥控指令的下发，极大地提升了遥控靶船的工作性能。这对我国北斗卫星定位导航系统的发展和海军武器装备建设，具有积极的推动作用，同时对推动遥控靶船的标准化建设也具有十分重要的意义。

北斗卫星定位短报文通信遥控靶船

0 引言

随着我国海军建设的迅猛发展，舰艇和武器装备数量激增，用于海军武器试验的靶船建设工作变得越来越重要。

我国的靶船建设经历了从固定靶船到遥控靶船的过程。早期为了测试海军武器的打击效能，在实弹演习时，主要使用固定靶船充当打击目标。如今，对靶船的要求越来越高，不仅能够高速行驶，还能释放电磁干扰、躲避雷达搜索、诱导来袭导弹偏离航向。我国海军主要将退役的舰艇通过改装后作为靶船使用，在靶船上安装各种传感器和自动控制设备，增强远程遥控能力，实现远程高度机动灵活的控制。

北斗卫星导航系统（BDS）是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是继美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统，因其具有定位精度高、保密性能强和短报文通信的独有设计特点，北斗卫星导航系统成为国家战略新兴产业发展的重中之重。北斗卫星导航系统也越来越广泛应用于电力、建筑、测绘、水利、海洋、交通、应急救灾和公共安全等诸多领域。

北斗卫星导航技术应用在遥控靶船上，可以随时掌握靶船的位置信息，极大提高靶船的可操控性，提高武器装备的训练质量。

1 系统设计

1.1 总体设计

该靶船由退役舰艇改造而成。改造后，新增主控制器、人机触摸屏（HMI）、北斗卫星定位导航系统（BDS）、通讯控制器、主机控制器、舵机控制器、调距桨控制器等。总体结构示意图如图1所示。

主控制器核心单元为可编程控制器（简称PLC），PLC功能强大，可靠性高、应用灵活，在工业自动化控制，石油、机械、电力、军工方面均有广泛的应用。作为控制器的核心部件，PLC接收通讯控制器的数据，通过计算，解析相关协议及信息，发出控制指令。同时将靶船的运行及状态信息经由通讯控制器输送给指挥船。

图1 总体结构示意图

1.2 主动力装置结构

原设计主动力装置（主机）为双机、双轴、双桨布置，主机型号为8300ZC，四冲程中速大功率增压直接回行柴油机。柴油机通过艉轴直接驱动螺旋桨，无齿轮箱和离合器，同时配置了液压调距桨系统。根据该船主动力装置布置及结构特点，新增设计控制主机和调距桨的专用控制设备，即主机控制器和调距桨控制器。改造后，该船可以采用无人值守自动控制系统，由驾驶台主控制器发车令，操纵柴油机启动、停车及调速，同时操纵调距桨，从而控制船的前进、后退及航速。

1.3 主机（主动力装置）控制器设计

针对8300ZC主机的结构、配置和操控方式，其主机控制器主要由主机控制箱、执行机构、通讯控制器三大部分组成。

控制器是主机无线遥控系统的核心部分，系统所有的输入输出信号及其指令都由控制器内部的PLC进行处理。有2种操作模式，其一是有线模式，其二是无线遥控模式。

有线控制模式时，主机操纵人员通过控制箱上的人机触摸屏向控制器输入控制指令。控制器驱动执行机构，控制主机的调速，在人机触摸屏上可同步显示主机的运行状态。

无线遥控模式时，控制器通过通讯口与通讯控制器进行通信及命令接受，通讯控制器接受远程无线指挥中心命令，通过通讯线传给控制器指令信号，对主机进行控制。控制器将主机运行状态及时上传，远程遥控人员根据PC机遥控界面了解船的实际工作状况。

机旁操纵模式时，主机操作人员通过离合器取消遥控模式，可进行机旁人工操控主机。

执行机构采用结构紧凑的电动机—蜗杆减速器—手动离合器—传动机构。主机控制器结构如图2所示。

图2 主机控制器工作示意图

1.4 舵机控制器设计

为了实现遥控靶船远程转向的功能，根据电动液压舵机工作原理及结构，需要设计一套舵机控制器，该控制器的主要功能如下：

1）接收主控制器发来的舵角指令；

2）控制舵机按指令转舵（左30度～0～右30度）；

3）将实际舵角上传给主控制器；

4）在失联条件控制舵机转舵“0”度（保护状态一），或左满舵（保护状态二）；

5）手动/遥控转换方便迅速；

6）运行可靠，操作方便。

舵机控制器主要由可编程控制器（PLC）、人机触摸屏（HMI）和驱动电路组成，舵机控制原理示意图如图3所示，舵机控制器结构示意图如图4所示。

图3 舵机控制原理示意图

图4 舵机控制器结构示意图

主控制器接收无线遥控转舵指令，主控制器通过RS485通讯口将指令传给舵机控制器内的PLC，PLC对舵角指令和实际舵角进行比较，如不一致，发出左舵或右舵命令，直到实际舵角与指令舵角一致为止。通讯中断后，PLC的保护程序将舵角控制在“0”度或左满舵。

1.5 通讯控制器设计

通讯控制器是遥控靶船控制系统的重要组成部分，承担与指挥系统联络的重要工作，其主要功能由三部分组成，北斗卫星导航、无线电台通讯和北斗短报文通讯。

1.5.1 北斗卫星导航

采用低功耗设计，两路天线输入信号独立跟踪，支持北斗B1/B2,提供毫米级载波相位观测值和厘米级 RTK 定位精度，支持芯片级多路径抑制，领先的瞬时RTK和高精度定向技术。在本应用中，单点平面定位精度可以达到1.5 m，满足靶船的测试要求。

为适应高可靠性、高稳定性、适合严酷的工作环境，电路设计选用高性能的电子元件和SMT技术。位置信息输出频率最高可以达到20 Hz。

为避免靶船在航行中偏离航向，本例采用双天线设计，在船体的中心轴线上，船头和船尾各安装一个高精度天线，通过馈线将信号传送至北斗定位模块。模块再获取两路信号后，根据两点形成一条直线的原理，通过解算可达到0.2度的定向精度。

北斗卫星导航模块将定位数据和航行数据送至主控制器，主控制器根据既定的路线，实时调整电动舵机的舵角和调距浆的航速。

同时，主控制器将定位数据和航行数据按照一定的频率发送指挥船，由指挥船完成跟踪信息的更新。

1.5.2 北斗卫星航向信息的解析

航向是靶船中心轴线上的2个天线形成的基线向量顺时针方向与真北的夹角，接收到该条信息后，通讯控制器需要提取航向角和俯仰角信息。

例如其语句格式如下：

#HEADINGA, COM2, 0, 90.0, FINE, 1939, 182038.000, 00000000, 930250813, 0; SOL_ COMPUTED, NARROW_INT, 37.0693, 288.0244, -0.7296, 0.0000, 0.0093, 0.0213, "0", 21, 21, 21, 21, 0, 01, 0, c3*968a3e06

数据由信息头、解算状态、位置类型、基线长（0至3000 m）、航向（0至360度）、俯仰（±90degrees）、航向标准偏差、俯仰标准偏差、跟踪的卫星数量、使用的卫星数量、截止高度角以上的卫星数量、扩展解状态、信号掩码、32位CRC校验、语句结束符组成。

上位机软件通过解析以上语句，获取靶船的航向信息，并可以实时显示在电脑屏幕上。同时，指挥船适时发出控制指令，调整靶船航向，避免洋流或风浪驱使靶船偏离既定航向。

1.5.3 北斗卫星定位信息的解析

北斗定位的主要数据是卫星定位数据输出格式语句GNGGA语句，是NMEA格式中使用最广的数据之一。其语句格式如下：

$GNGGA, 023340.00, 3030.42133177, N, 11420.18534531, E, 1, 19, 0.7, 72.8315, M, -14.4857, M, 00, 0000*6B

数据由信息头、位置对应的 UTC 时间（小时/分钟/秒/十分之一秒）、纬度（DDmm.mm）、纬度方向（N = 北， S = 南）、经度（DDDmm. mm）、经度方向（E = 东， W = 西）、GNSS 质量指示符、使用中的卫星数、水平精度因子、天线高度、天线高度单位（M = 米）、大地水准面差距、大地水准面差距单位（M = 米）、校验和、语句结束符组成。

上位机软件通过解析以上语句，获取靶船的位置信息，可以实时显示在电脑屏幕上。同时，调取数据库中的一段时间的定位信息，连接形成曲线，从而得到这段时间靶船的运行轨迹。

1.5.4 无线电台通信

采用传统的大功率无线电台，与现场指挥船保持联络传输数据。具有传输数据量大、通信质量稳定可靠的特点，最大传输距离可以达到几十海里。

1.5.5 北斗短报文通信

作为无线电台的备选方案，在无线电台停止工作后，自动启动北斗短报文通信功能。该部分采用北斗卫星定位导航系统特有的短报文通信功能，实现对靶船的监控和遥控命令的下发，靶船实时数据的上传。

短报文通信具有传输距离远、保密性高、通信质量稳定可靠的特点。在北斗导航卫星覆盖范围内，可实现全天候无障碍通信。配合指挥卡的使用，既可以实现点对点的传送，也可以实现点对多的传送。

北斗短报文通信需要遵从一定的卫星通讯协议。在北斗通信控制软件内嵌入“北斗4.0协议”程序，完成数据格式转换，以实现对接收到的电文数据的解析，控制命令的分发和响应；对要发送的短报文数据进行格式化、编排组织和启动发送。

2 功能测试

2017年在海上进行某型陆基导弹的测试。

测试人员将靶船驾驶至既定海域，在将靶船进行调整设置后，测试人员撤离靶船，靶船进入遥控状态。

指挥船通过不断回传的定位数据，在地图上查看靶船的位置。通过电脑远程控制靶船的航速和航向。

图5 指挥软件界面

各项功能测试合格后，靶船进入就绪状态。由指挥中心通知导弹发射基地进入准备发射状态。

15:37，在输入靶船坐标信息后，导弹腾空发射，向目标海域飞去。

与此同时，指挥船向靶船发出指令，启动最大航速，向正南方向“逃窜”。

5分钟后，导弹到达目标海域上空，完成1次变轨，调整导弹飞行姿态。

30秒后，导弹启动末端制导系统，向靶船飞去。

5秒钟后，导弹准确击中靶船，海上传来巨大的爆炸声，海面腾起冲天水柱。

指挥船与靶船的通讯中断。搜救船随即进入目标海域，打捞靶船上的数据记录仪。

经过事后对数据记录仪解密分析，靶船各项功能工作正常，其航速航向以及运行轨迹与雷达测量的结果完全一致。

3 结论

本文介绍了北斗卫星导航系统在遥控靶船上的应用，对靶船的电控系统（调距桨装置和电动舵机装置）和北斗卫星导航定位系统，以及北斗短报文功能做了重点介绍。

卫星导航系统是一个国家综合国力的体现，是大国强国的标志。原北斗卫星导航系统总设计师孙家栋院士说过“北斗系统的重中之重在于应用”，应用是北斗建设的出发点和落脚点。而北斗的应用领域只受人们的想象力所限，可以说没有做不到，只有想不到。它已经成为一种崭露头角的全球信息基础设施，是推动国家经济建设和实施可持续发展战略的强有力支撑。

北斗卫星导航技术在遥控靶船上的推广应用，不仅提高了遥控靶船的战技术性能，同时也提升了海军武器装备性能和武器装备试验效果。对推动了北斗卫星导航事业的发展，打破GPS在卫星定位导航领域的垄断，具有积极的意义。

该型靶船在海军部队的使用，实践证明，该产品性能稳定可靠，抗干扰能力强，远程遥控可靠，操作简单。这些优点使得该型遥控靶船有着广泛的应用前景。

本文的创新点在于将北斗卫星导航技术引入遥控靶船智能控制领域，提高了遥控靶船功能与性能，具有较好的军事及经济效益。

[1] 北斗卫星导航系统及其应用推广的国家意义[J]. 领导文萃, 2017, (7).

[2] 战兴群, 赵隽, 张炎华等. 机舱监测报警系统研制[J]. 船舶工程, 2001, (3): 42-46.

[3] 闫世杰. 船舶信号[M]. 人民交通出版社, 2006: 26-82.

The Design of the Pitch Control System Based on PLC

Cheng Tianqing, Han Xiaogang

（PLA Dalian Naval Academy, Liaoning 116018, China）

P228

1003-4862（2018）11-0010-04

2018-08-02