基于UWB定位的舰炮检靶系统设计研究∗

刘志坤 曲 毅 张建强 刘 洋

（1.海军工程大学兵器工程学院 武汉 430033）（2.海军装备部装备项目管理中心 北京 100071）

1 引言

舰炮射击检靶系统的主要任务是确定炮弹落点位置，获取脱靶量信息，进而为射击成绩评定提供重要依据。传统的舰炮射击检靶方式主要有雷达测量、光电测量及人工事后检靶三种。它们各自存在较明显的缺陷:对于雷达测量，由于炮弹RCS面积小、飞行速度快，导致漏检率较高、精度差；光电测量受海上气象环境因素影响大、作用距离近；人工事后检靶实时性差、效率低、主观因素大。

围绕舰炮射击的高效、准确检靶问题，国内外学者开展了大量工作:文献［1］建立了一种基于多个声学传感器节点的弹丸落点测量系统，并通过模拟试验和静爆试验进行了测试，但对处理信号的信噪比要求较高。文献［2］提出了一种基于双站交会的脱靶量测量方法，将高速摄像系统布置在靶船的艏艉，实现方位360°周视成像，但作用距离较近。文献［3］提出利用多个声学基阵，通过测量超声速武器飞行过程中产生的激波确定目标位置，但仅适用于落点处速度超过声速的目标，这与大部分舰炮射击实际情况不符；文献［4］采用两类传感器，利用声波在固体和气体中传播的时间差进行靶场定位，但是系统较复杂，受环境因素影响大。总之，这些方法仍普遍采取了非协作式定位体制，其共同缺点是受目标特性变化和环境因素（海杂波、噪声等）影响较大，检靶的可靠性和精度难以保证。

与非协作式检靶体制相对应的是协作式检靶手段，通过在弹上加装信号发射机产生一个标准信号，并向靶区发送，地面站通过接收信号解算弹丸位置，从而实现检靶。这种工作方式的优点是测量精度受被测目标的影响小，易实现高精度、远距离检靶，缺点是需要在弹上有限空间加装新设备。此外，弹丸发射后高过载、高旋转会造成器件损坏。近年来，随着微电子技术和芯片抗过载技术的飞速发展，经过特殊处理的芯片能够承受20000G甚至更高过载，这使得协作式检靶手段成为可能。

本文提出了一种基于超宽带（Ultra Wide Band，UWB）定位的协作式舰炮射击检靶系统，在弹丸引信上集成UWB芯片，炮弹射出后，向靶区发射UWB标准无线信号，靶区设备接收信号，采用时差定位算法（Time Difference of Arrival，TDOA）实现对弹丸的实时精确定位。

2 系统工作原理

2.1UWB定位的特点

所谓UWB信号，是指相对带宽大于20%或者总带宽不小于500MHz的信号［5］，即

式中，fH、fL分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频率，fH-fL表示信号的总带宽，fc表示信号的中心频率。

与其他无线电信号相比，UWB信号用于定位有以下优势［6～7］:

1）系统功耗低

UWB不使用传统无线通信系统的载波，只在需要时发出瞬时脉冲，从而降低了系统的功耗，延长了系统的持续工作时间，满足了弹载设备的低功耗要求。

2）系统结构简单

在发射端，UWB设备可以直接采用脉冲小型激励天线，不需要上下变频，不需要功率放大器与混频器；在接收端，UWB设备不需要中频处理。因此系统的复杂程度大为降低。

3）定位精度高

UWB设备发出的瞬时脉冲脉宽极窄，分辨力高，在理论上可以达到厘米级甚至更高的测距精度，从而为实现高精度定位提供了可能。

4）信号穿透力强

UWB信号具有很强的穿透障碍物的能力，这一定程度上保证了其在复杂环境下工作的可靠性，满足了弹载设备环境封闭的使用需求。

综上所述，UWB定位系统能够较好地适应弹上空间小、能源有限、环境封闭等不利条件，具备实现高精度检靶的技术基础。

2.2 系统组成及功能

基于UWB的舰炮射击检靶系统主要由信标弹、靶区定位系统、无线数据传输系统和辅助设施构成，如图1所示。

图1 系统组成框图

1）信标弹

信标弹是对制式炮弹引信进行改装、用于射击训练与考核评估的一种训练弹。该弹在保持原有弹种基本不变的基础上，仅对弹丸引信进行了技术改进。具体改变为将原有电子引信的电路部件改装为UWB信标，发射用于精确定位的UWB信号。

2）靶区定位系统

该系统由多个定位基站、同步控制器及定位处理机组成。其中，定位基站布设于靶区，负责接收信标弹发出的UWB信号；同步控制器协调整个定位网络系统，其主要功能是向所有定位基站发送同步控制命令，协调定位时序；发送定位系统标识信号唤醒临空的信标弹，并安排信标弹的定位时序；接收各临空信标弹传输数据；汇集各定位基站定位数据，传输到定位处理机。定位处理机采用时差定位方法解算信标弹的位置。

3）无线数据传输系统

该系统由超短波通信子系统和北斗卫星通信子系统组成。其中，超短波通信子系统实现靶区定位信息向射击舰艇的实时传输。北斗卫星通信子系统则负责超视距条件下的远程数据传输，必要时可实现靶区定位信息与岸基指挥所之间的传递。

4）辅助设施

2.3 系统工作流程

如图2所示，基于UWB定位的舰炮射击检靶系统工作流程如下。

步骤1:地面控制基站借助高精度时间同步技术，通过电缆延迟测算、统一授时，完成各定位基站间的精确时钟同步；

步骤2:完成同步之后，控制基站通过2.4GHz的无线通信信道，向空中来袭炮弹上的信标发送“开始定位”指令；

步骤3:弹载信标收到“开始定位”指令后，发送一组UWB脉冲序列；

步骤4:信标发射的UWB脉冲序列被地面各个定位基站接收，各个基站通过UWB信号检测技术，根据自身已同步的时钟，确定该UWB脉冲序列信号的到达时间；

步骤5:各个定位基站将到达时间值通过有线电缆传输给控制基站，控制基站统一处理后即可得到炮弹信标发射的UWB信号到达各个基站的时间差；

步骤6:根据多组时间差，利用时差定位算法即可实现对弹载信标的精确定位，从而确定弹丸落点位置。

同课异构必须要考虑文本的题材和体裁特点。教师常常会依据文体特征设计课堂，因为这样最便于学生直观、感性地了解、体验学习的内容。比如，诗歌是用来诵读、吟唱的，剧本是提供表演的，像这样文体特征鲜明的文本，在异构上也是可以做文章的。比如，讲授《雷雨》这样的剧本，就可以尝试以下两种同课异构设计思路。

图2 检靶系统工作流程示意图

2.4 定位算法

本检靶系统采用基于时差的目标定位算法［8～9］。该算法通过测量目标信号到达不同定位基站的时间差，利用双曲线交叉进行定位。其优点是只需定位基站之间保持时钟同步，不要求定位基站与被测对象之间的严格时钟同步，也不需要知道目标信号的发出时间，使系统相对简化，同时具有较高的定位精度。

以二维平面上的时差定位问题为例，如图3所示，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)分别为三个定位基站的坐标，(x,y)为目标的位置坐标。同一时刻的目标信号到达三个定位基站，由此可测得2组有效时间差Δt12和Δt13，根据距离公式，可得到TDOA定位方程组为

式中，c是目标信号的传播速度，解此方程组即可得到目标的位置。需要指出的是，该方程组通常会解出两组解，即一组真实解，一组虚假解，可以通过物理事实（如目标信号的入射方向）或者增加定位基站数量的方式消除［10］。

图3 二维时差定位原理图

通常，三个定位基站采用TDOA算法，可以获得二维平面内的目标位置坐标，即实现二维定位；不在一个平面内的四个定位基站可以实现三维立体定位，更多的定位基站则可通过最小二乘估计、Chan氏算法等利用冗余信息进一步提高定位精度［11］。

3 定位精度分析

影响本系统定位精度的因素主要包括时差测量误差、定位基站自身位置测量误差两个方面。

3.1 时差测量误差

时差测量误差是引起目标定位误差最主要的因素，这是由于UWB信号的传播速度为3×108m/s，由式（2）、（3）可知，即使是非常小的时间差，转化为距离后都会变得很大，相关研究表明，对于电磁波信号而言，纳秒级（10-9s）的时差测量误差即可导致数米的定位误差［12］。引发时差测量误差的因素有:

1）UWB信号到达定位基站接收天线后，进入基站检测系统的时间误差Δt1

对于Δt1，可通过上百次时间检验平均得到，经测量，该误差小于200ps。

2）检测系统的测量时间误差Δt2

由于检测时间方法的特有属性，测量时间会因为温度的变化以及基准时钟的稳定性变化而产生误差Δt2。降低该误差的途径有通过器件优选和良好的电路匹配设计，改善电路抖动误差；增加A/D的位数，减小采样误差。经过处理后，该误差为±100ps左右。

3）同步时钟的相对误差Δt3

同步时钟由超高速逻辑器件以及高速FPGA、DSP，经过严格的算法产生。但由于器件本身带来的时钟抖动，同步时钟也存在误差Δt3，经过测量，该误差约为±80ps。

基于以上对时差测量产生误差的分析可知，用于TDOA算法解算的时差测量误差Δt可以控制在400ps内，即时差测量误差小于0.4ns。换算为距离误差为

即在此时差误差下，TDOA算法的定位精度可以控制在亚米级。

3.2 定位基站自身位置测量误差

TDOA算法中需要确定定位基站自身位置坐标，该信息是通过相关设备测量获取的，受测量设备固有精度限制，存在测量误差，进而影响目标定位精度。

激光测距仪和差分GPS设备是常用的测量定位基站位置手段。其中，激光测距仪的误差在0.5m左右，差分GPS设备的误差则小于0.1m。此外，可以通过多次测量求平均值的方法，进一步降低测量过程中的随机误差。

4 实测及结果分析

图4 基站布设示意图

为验证系统性能，进行了实际测试。如图4所示，在地面布设3个定位基站（如图中“▲”所示），以基站A和基站B的连线为X轴，其中点为原点定位建立相对坐标系，基站坐标分别为（-50m，0）、（50m，0）、（0，-50m）。在Y轴（过原点和定位基站C的连线）上，设置不同距离的多个测试点（如图中“☆”所示），在不同测试点安放UWB信标，测试系统是否有稳定的定位解算结果，从而对不同距离下系统定位精度进行检验。

试验中，采用均方误差作为系统定位精度的评价指标，其计算式如下:

式中，ε是测量值与真实值间的误差，n是测量次数，本次试验每个测试点定位100次，取平均值作为最终的定位结果。

第一次试验采用激光测距仪确定定位基站位置，系统在不同距离上对UWB信标的定位结果如表1所示。

表1 第一次定位结果

为了进一步提高定位精度，同时检验定位基站位置误差对信标定位精度的影响，第二次试验采用高精度的差分GPS设备确定定位基站位置，系统在不同距离上对UWB信标的定位结果如表2所示。

表2 第二次定位结果

试验结果表明:

1）本系统能够对不同距离上的多个测试信标进行定位，初步验证了系统的有效性。随着UWB信标与观测区域距离的增加，定位误差不断加大，这是由于采用TDOA定位算法时，在定位基站阵元间距一定的前提下，目标越远，对于接收信号的分辨力越差，时差测量相对误差越大，从而导致定位误差增大。

2）定位基站自身坐标的测量误差对UWB信标定位精度有较大影响，第一次定位时定位基站自身位置测量误差在0.5m左右，第二次定位时定位基站自身位置测量误差小于0.1m。对比表1和表2的数据，第一次定位的均方误差明显超过第二次，且随着信标距离的增加而扩大。因此，在实际应用中，必须利用差分GPS等高精度定位设备，对定位基站坐标进行准确地测量和标校。

3）当UWB信标距离观测区域靶区较近时（距离靶区坐标原点100m以内），定位均方误差小于2m，大大优于目前普遍采用的雷达、光电等非协作式检靶设备精度指标（10m左右）。当信标距离观测区域靶区较远时（距离靶区坐标原点400m以外），定位值的均方误差虽然会超过10m，但由于当炮弹落点超过靶区400m时，其射击成绩无效，此距离上的目标并非检靶系统关注的观测对象，因此，系统检靶精度可以保障。

5 结语

本文提出了一种基于UWB定位的协同式舰炮射击检靶系统，设计了该系统的组成结构和各部分功能，规划了系统工作流程，对影响定位精度的各项因素进行了分析，并通过实测验证了系统的有效性和定位精度。较之现有舰炮射击检靶手段，该系统对目标的定位精度大为提高，为舰炮射击检靶提供了一种可行的新思路，具有较强的军事价值和良好的应用前景。