基于数传电台的靶弹测控系统设计

王 刚，齐 跃，吴彦卓

(1.中国人民解放军91851部队，辽宁 葫芦岛 125001； 2.中国人民解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125001)

0 引言

靶弹用于模拟敌方来袭的导弹,是考核鉴定防空武器防空反导能力的重要靶标[1]。利用退役的飞航式反舰导弹改装靶弹既节约了导弹退役报废费用，又节约了防空导弹用靶费用，是一种经济而有效的靶标开发模式[2-3]。某型靶弹由退役的飞航式反舰导弹改装而成，该型靶弹在飞行过程中需要将靶弹实时位置信息以及弹载设备工况信息下传到地面指挥控制系统用于防空武器试验或训练过程中的数据判读与决策，同时需要将地面的安控指令上传至靶弹用于在靶弹飞行异常情况下控制其实施自毁，因此靶弹改装过程中需要加装弹载测控设备。靶弹作为一种消耗性产品，其加装的测控设备在保证可靠性的基础上对其低成本、通用化和小型化提出了更高的要求[4]。为靶弹研制专用测控设备，价格昂贵且通用性受到限制[5]。数传电台具有技术成熟、采购渠道通畅、效费比较高、开发难度相对较小等优点[6-7]，以数传电台为核心器件设计通用型测控设备可以有效降低成本[8-9]。本文以数传电台为基础设计一型靶弹测控系统，该测控系统由弹载数传设备和数传地面站组成。该测控系统可以实现靶弹飞行过程中重要数据的实时下传和安控指令上传，同时可实现4台地面站接力布站对一枚靶弹进行测控。

在靶弹飞行过程中，由于靶弹飞行距离较远，受地球曲率的影响，靶弹数传地面站的测控范围有限[10-11]。为增加测控范围，需要在靶弹飞行航迹沿线采用接力布站的方式完成靶弹飞行过程的测控[12]，即采用多台地面站对同一枚靶弹进行测控[13-14]。以往采用多台地面站测控时为避免地面站上行数据冲突，只有一台地面站用于发送上行数据[15-16]，其他地面站只接收靶弹的下行数据，这限制了靶弹测控系统上行数据的发送能力[17-18]，靶弹只能在特定区域内接收地面站的控制指令，无法在全航程内接收地面站安控指令的控制[19-20]。本文采用时分多址的传输模式，可使4台地面站在4个不同的传输时隙内上传安控指令，使靶弹在飞行全航程都能接收地面站的安控指令控制，提高了靶弹测控可靠性和供靶安全性。

1 靶弹测控系统总体设计

靶弹测控系统由弹载数传设备和数传地面站组成。弹载数传设备由数传天线、高频馈线、数传电台、采编器、电源模块构成，弹载数传设备组成框图见图 1。数传电台、采编器和电源模块采用分层式结构集成为一个整体，层间用连接器传输电信号。电源模块分别输出+5 V和+24 V直流电，+5 V为采编器供电，+24 V为数传电台供电。弹载数传设备壳体上用航空接插件与靶弹电缆网连接,用于传输电气信号。弹载数传设备天线采用倒F型天线，安装在靶弹设备舱段上侧。该天线尺寸较小，对靶弹的气动性能无影响。弹载数传设备通过减振器安装到靶弹设备舱段内,以减小靶弹飞行过程中振动对弹载数传设备的影响。弹载数传设备具有数据采集、数据传输和安控功能。数据采集功能包括采集弹上32路模拟量、16路开关量、3路数字量信号并将采样数据按约定的数据帧格式通过RS422串口发送给数传电台；数据传输功能包括通过数传电台将数据发送到地面站，接收地面站发送的安控指令；安控功能包括接收地面站的安控指令后，对安控指令进行判断并向靶弹飞控系统输出+27 V安控信号。

图1 弹载数传设备组成框图

数传地面站集成在一台便携式加固计算机内。数传地面站由数传天线、高频馈线、数传电台、收发控制器、电源模块、数据处理计算机，设备机壳及操控面板组成。天线采用鞭状天线，数传电台与弹载数传设备所选用的电台型号相同。数传地面站具有数据接收、发送安控指令、数据处理、存储与显示功能，主要完成接收弹载数传设备的数据并进行数据处理和图形化显示，采样操控面板上安控指令按钮状态并通过数传电台将安控指令发送给弹载数传设备。

靶弹测控系统所用数传电台选用工业级商用数传电台，通过环境筛选试验使数传电台可靠性满足靶弹测控系统的使用要求。该型数传电台为半双工工作模式，同一时刻只能选择接收或发送一种工作模式。数传电台通过RS422串口与采编器或收发控制器进行通信，数传电台数据传输率设置为38 400 bps。为满足弹载数传设备与数传地面站之间数据传输的实时性要求，靶弹测控系统按周期进行上行和下行数据传输，每个传输周期为100 ms，一个周期内可以完成一次下行数据传输和4次上行数据传输。数传地面站布站如图 2所示。在靶弹飞行航迹附近可用4台地面站进行接力测控。弹载数传设备与4台数传地面站之间的数据传输时隙如图 3所示。弹载数传设备每100 ms的循环周期内向下发送数据135字节，通信协议采用串口通信协议，数据格式为8数据位、1起始位、1停止位，数据传输率为38 400 bps。135字节需要的传送时间为：135×(1+8+1)/38 400=0.035 2 s=35.2 ms。该数传电台接收数据与发送数据模式转换时间小于20 ms，35.2～59 ms之间有23.8 ms用于数传地面站由数据接收模式转换为数据发送模式，同时弹载数传设备由数据发送模式转换为数据接收模式。59 ms时数传地面站A可以发送安控指令，安控指令帧长度为5个字节，每次发送安控指令需要5×(1+8+1)/38 400=0.001 3 s=1.3 ms，4台地面站发安控指令上行数据的时隙分配如图 3所示，每台地面站安控指令发送时间间隔为5 ms。75.3 ms时地面站D安控指令发送完毕，75.3～100 ms之间有24.7 ms，该时间段用于数传地面站和弹载数传设备收发模式转换。

图2 数传地面站布站示意图

图3 数据传输时隙分配图

2 弹载数传设备采编器硬件及软件设计

弹载数传设备采编器由DSP、FPGA、A/D采样芯片、串口缓存芯片，光MOS型继电器输出电路、光耦采样电路、外部ROM存储芯片组成。采编器组成框图见图4。DSP用于运行采编器程序，外部ROM存储采编器程序以及安控指令码。4片8路A/D采样芯片可完成32路模拟量采样。4路64位串口缓存芯片用作3路数字量采样缓存，同时作为与数传电台RS422串口通信的缓存。FPGA芯片实现对DSP与各外围芯片间通信的总线控制。8路光MOS型继电器输出电路可以输出自检、解锁、复位、自毁4路+27 V安控信号，16路光耦采样电路用于靶弹的16路开关量采样。

图4 采编器组成框图

采编器软件在DSP内运行用于完成采编器上电后初始化，采集32路模拟量和16路开关量数据，通过串口查询接收弹载卫星定位设备定位信息和数传电台收到的安控指令，根据安控指令通过固态继电器输出相应的安控指令控制信号。安控指令包括：自检、解锁、复位、自毁共4条指令。自检指令用于检查传输信道是否通畅；解锁指令是自毁指令的保险，在没发出解锁指令时，自毁指令即使发出也不起作用；复位指令是对解锁指令的恢复；自毁指令在输出27 V后必须进行自保。弹载数传设备采编器软件按100 ms的周期循环运行，软件流程如图 5所示。采编器供电后首先进行硬件初始化，将自检、解锁、自毁状态字和自毁指令计数器i置0，查询接收数传电台串口缓存计数器j置0，而后启动100 ms定时器并进入100 ms循环程序；进入循环程序后首先进行16路开关量和32路模拟量采样，而后用查询的方式接收卫星定位设备和数传电台的串口数据。接收完数传电台的串口数据后即对接收的安控指令数据帧进行解析校验。程序流程中②到③完成查询接收数传电台串口缓存并对安控指令数据帧进行判断，若安控指令为自检指令则将自检状态字置1，自毁状态字不等于1的条件下判断安控指令是解锁指令还是复位指令同时根据判断结果将解锁状态字置1或0。程序流程中③到④完成自毁指令计数，在解锁状态字为1的条件下若接收的安控指令为自毁指令则自毁指令计数器i自加1；当连续3次收到自毁指令时，将自毁状态字置1同时输出27 V的自毁控制信号。连续收到3次安控指令后实施自毁可以降低因数据传输错误而造成误自毁的概率。程序流程中④到⑤完成查询接收数传电台串口缓存次数的判断，每100 ms的循环周期内需查询数传电台串口缓存4次。程序流程中⑤到①完成100 ms计时并发送135字节的下行数据帧而后进入节点①开始下一个循环周期。

图5 弹载数传设备采编器软件流程图

3 数传地面站硬件设计

数传地面站电气原理如图 6所示，数传地面站用交流220 V市电供电，交流220 V转直流24 V电源模块输出24 V直流电压给数据处理计算机、数传电台和收发控制器供电。显示器、鼠标、键盘与数据处理计算机用于接收数传电台输出的靶弹下行数据，包括靶弹实时位置信息以及弹载设备工况信息。数传电台串口输出端以并联的方式同时给收发控制器和数据处理计算机发送数据，数据处理计算机接收数传电台的数据后进行存储和显示。收发控制器接收数传电台串口输出的靶弹下行数据后将靶弹下行数据中包含的安控状态信息通过27 V开关量输出给自检、解锁、复位、自毁4个指示灯以显示靶弹当前的安控状态；收发控制器可以对自检、解锁、复位、自毁4个开关信号进行采样并将采样结果按照图 3的时隙通过串口输出给数传电台，作为数传地面站向弹载数传设备发送的上行安控指令数据。收发控制器硬件是在弹载数传设备采编器模块的基础上改进而成的，去掉了采编器模块的32路模拟量采样和16路开关量采样中的8路采样。收发控制器需要对接收弹载数传设备下行数据进行精确计时，计时精度为1 ms，从而准确控制安控指令的上行时间，以免弹载数传设备、各地面站发送数据时间相冲突，造成数据丢失。

图6 地面站电气原理图

4 地面站收发控制器软件设计

地面站中的收发控制器用于对地面站操控面板上的安控指令按钮采样，接收弹载数传设备下行数据并计时，发送上行安控指令数据帧，向地面站操控面板指示灯输出安控指令信号。收发控制器程序循环周期为1 ms，每100个周期，能够收到一帧完整的下传数据。收发控制器收到完整的下传数据后按图 3的时隙发送上行安控指令，以保证弹载数传设备和四台地面站之间数据传输不发送冲突。收发控制器软件流程如图 7所示。程序流程开始到节点①用于硬件初始化及各状态字赋初值，程序流程中①到②之间用于安控指令按钮采样，为了消除按钮抖动和干扰，连续100次采样有效则该安控指令有效。流程中②到③部分根据安控指令按钮采样结果确定安控指令状态字，自检、复位、解锁、自毁安控指令按钮有效时对应的安控指令状态字分别为1、2、3、4。流程中③到④以查询串口缓存的方式接收数传电台收到的下行数据，当收到135个字节的完整数据帧之后，帧计数状态字i置0。流程中④到⑤用于电源和安控指令灯显示，当地面站稳定接收弹载数传设备信号时电源灯能够闪烁；地面站未收到弹载数传设备信号时电源灯常亮；自检、解锁、复位、自毁四盏安控指令灯则根据地面站收到的弹上下传的安控指令状态进行对应显示。流程⑤到⑥用于程序循环周期计时和上行安控指令输出。当定时器计时大于等于1 ms时定时器置0重新计时。流程⑥到①依据地面站安控指令发送时隙和安控指令状态字的结果由串口向数传电台输出上行的安控指令，安控指令发送时隙用1 ms循环的帧计数i来确定，地面站A、B、C、D在i值分别为23、28、33、38且安控指令状态字不等于0时，按照安控指令状态字来输出安控指令数据帧，而后程序回到节点①进入下一个循环周期。

图7 收发控制器软件流程图

5 试验结果与分析

为验证弹载数传设备和数传地面站的工作性能，用四台数传地面站和一台弹载数传设备进行通信试验，试验中数传地面站编号为A、B、C、D。试验分为实验室测试和外场远距测试。实验室测试主要检验安控指令发送时间是否满足要求，硬件是否工作正常，软件流程是否达到设计要求。实验室测试时四台地面站同时持续发自检安控指令，用示波器监测地面站收发控制器RS422串口收到安控指令的结束时间以及发送安控指令的起始和结束时间，试验结果见表 1。经过多次重启测试，四台数传地面站发送安控指令的起始时间均有1 ms的动态误差，这是因为数传地面站收发控制器计时精度为1 ms，因此其发送安控指令的起始时间存在动态误差。四台地面站之间发送安控指令的时间间隔有4～5 ms，该时间差可以保证各地面站上行数据不发生干扰。用四台地面站依次序同时发送自检、解锁、复位、解锁、炸毁安控指令，弹载数传设备能正常接收指令，未发生指令接收异常的现象。

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表1 数传地面站收发数据时间监测结果

外场远距测试时，数传地面站A、B与弹载数传设备相距20 m，数传地面站C、D与弹载数传设备相距21 km。每台地面站单独发送安控指令时，弹载数传设备接收安控指令正常；4台地面站依次序同时发送自检、解锁、复位、解锁、炸毁安控指令时，弹载数传设备均能正常接收安控指令。

6 结束语

本文以数传电台为核心器件设计了一型靶弹测控系统，该测控系统由弹载数传设备和数传地面站组成。该型测控系统在靶弹上使用可以实现在靶弹飞行过程中接收并显示实时位置和弹载设备工作信息，同时可实现用发送安控指令的方式控制靶弹自毁。数传地面站采用时分多址的传输模式发送安控指令，可以实现4台地面站同时向一枚靶弹发送安控指令，可使地面站沿靶弹飞行航迹接力布站时各地面站发送安控指令不会相互干扰，该设计方法增加了地面站测控范围，提高了靶弹测控系统工作可靠性。最后通过对工程样机的实物测试，该测控系统工作正常，可以实现4台地面站对靶弹同时进行测控的功能。