GPS轨迹测量系统在导弹飞行试验中的应用

李东　黄信安

摘 要： 空空导弹研制需要一系列空中系留飞行试验，以解决导弹制导系统对真实目标的截获跟踪能力。传统的系留试验由于地面试验人员无法实时掌握靶机和目标机的动态，给飞行试验结果造成了很大的不确定性；本系统利用日益广泛使用的GPS全球定位技术，从载机的导弹产品和目标机GPS吊舱接收下传的GPS信息，实时解算出目标机相对于载机位置、速度等信息，显示在数据处理软件上，从而使地面试验人员实时获取载机和目标机的相关信息，为试验指挥提供了可靠数据；实际应用结果表明，该系统大大提高了系留试验的成功率和导弹截获概率，为飞行试验节约了试验经费和时间，创造了良好的经济效益。

关键词： 轨迹测量系统； 飞行试验； 地面接收站； GPS； 导弹

中图分类号： TN965?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0028?03

Abstract： In the process of air?to?air missile development， a serial of tethered flight test must be done to improve the capability of capturing and tracking the real goal of missile guidance system. The traditional tethered flight test results in great uncertainty for the flight test results because the test personnel on ground can not grasp the dynamic status of the drone aircraft in real time. With GPS widely used in the system， the target aircraft′s position and speed relative to fighter plane are calculated in combination the GPS information received from the airborne missile and target GPS pod， and displayed in the data processing software， so that the test personnel on ground obtain the relevant information of fighter plane and drone aircraft in real time and provide reliable data for the test command. The practical application result shows that this system can greatly improve the success rate and the missile interception probability， and save the time and fund of the test.

Keywords： trajectory measurement system； flight test； ground receiving station； GPS； missile

0 引 言

空空导弹研制过程中需要一系列的系留飞行试验，以解决导弹制导系统对真实目标的截获跟踪能力，暴露在飞行条件下可能存在的问题[1]。由于地面人员无法实时掌握靶机和目标机的动态，飞行试验的好坏只能靠事后通过对遥测数据的分析得出结论，这样给飞行试验的结果造成了很大的不确定性。GPS轨迹测量系统是对空空导弹进行空中目标机截获跟踪试验时使用的飞行试验专用测试设备，用于实时显示载机、目标机的速度、高度、位置、轨迹和相对运动参数（相对速度和相对距离、攻击角等）。它能实时显示和记录导弹的截获信息和其他工作信息，供地面指挥人员调度载机和目标机按大纲预先设定的航线飞行，使地面技术人员及时掌握和了解导弹的工作情况，提高试验的成功率和准确度，从而大大提高试验效率和试验结果的有效性。

该系统就是利用日益广泛使用的GPS全球定位技术[2]，从载机的导弹产品和目标机的GPS飞行测试吊舱接收其下传的GPS信息，实时解算出目标机相对于载机位置、速度等信息，并实时显示在数据处理软件上，从而使地面的试验指挥人员实时获取载机和目标机的相关信息，为试验的指挥提供了可靠的数据，大大提到了系留试验中导弹的截获概率，为飞行试验节约了时间和经费，创造了良好的经济效益。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

GPS轨迹测量系统由载机综合数据发送系统、目标机综合数据发送系统、GPS地面工作站、实时采集处理监视系统、事后处理单元五部分构成[3]，组成部分如图1所示。

1.2 工作原理

在飞行试验中，载机综合数据发送系统通过射频通道无线接收导弹工作参数后与本地收到的GPS数据融合、编码，实时记录到存储器，并将数据扩频后送给调制遥测发射机，发射机通过发射天线向空间辐射。目标机GPS遥测系统接收本机GPS信息，并进行编码、记录，将数据扩频后通过射频通道向外辐射。地面工作站实时接收载机和目标机的射频信号，经扩频接收机接收解调得到数据信号；而后经帧同步、数据合并，由计算机读取、存盘，实时获得载机和目标机的位置、速度、轨迹及导弹主要的工作参数等，通过无线网络将数据发送给第二显示终端进行显示。飞行试验结束后，地面检测设备通过数据线下载载机、目标机记录数据，数据处理系统对其进行事后处理分析，得到被测参数，以数据、曲线、图形、文本等方式输出，生成最终的数据文件，并通过遥测数据和下载数据的事后处理分析，提高数据的完整性和准确性。

2 方案设计

2.1 载机综合数据发送系统

载机综合数据发送系统设计主要包括结构设计和电子部件设计。电子部件包括GPS接收天线、GPS接收机、试验弹数据接收单元、数据融合处理组件、数据记录组件、扩频发射机、发射天线、电源和吊舱弹体。组成框图如图2所示。

载机综合数据发送系统的主要功能主要包括接收GPS卫星信号，解算出GPS天线的位置、速度及精确时间等信息，并将解算出的信息和原始信息传至地面站；有线和近距无线接收同一载机另一侧挂载的试验弹的主要工作参数并实时回传地面站；记录GPS原始观测数据和试验弹的主要工作参数；系统地面自检功能等。GPS数据除时间、三维位置、速度信息外，还应有L1波段多普勒测量值、载波相位测量值、C/A码伪距测量值、卫星索引、精度因子等，以便于事后差分和数据分析等使用。

2.2 GPS地面接收站

地面工作站主要包括：接收天线、载机数据扩频接收单元、目标机GPS数据扩频接收单元、GPS基准站、数据合并单元、实时处理监视单元、485总线数据输出单元、事后处理单元，功能组成框图如图3所示。

地面工作站主要功能为：

（1） 保证在规定飞行区域范围内，可靠接收载机综合数据发送系统和目标机GPS遥测系统的数据信息；

（2） 接收并记录基准站、载机、目标机GPS原始观测数据、可实现事后数据读取和重放；

（3） 将载机和目标机信息融合后实时传输出给实时处理监视单元并记录；

（4） 实时处理监视单元可以调整载机和目标机的轨迹的点数，显示比例图可以放大缩小；可以使用电子地图作为显示系统的背景，也可以制作有简单地标组成的地图作为显示背景；显示时自动剔除误码；选取轨迹图中的历史点，可以弹出窗口显示该点数据；

（5） 用无线网络的方式，选择全部或部分信息传输至第二显示终端，为领航、决策提供依据等。

2.3 实时采集处理监视系统

实时处理软件包含实时存贮、GPS参数解算、载机和目标机实时显示、远程数据发送等模块。用于实时存贮、接收、处理并监视载机和目标机的飞行状态，及试验弹的工作状态，它具有同步码的容错处理以及时码的判断，丢帧检查功能；实时接收、存储、解算由网络传送来的载机和目标机的GPS数据，能够完成GPS数据和导弹工作参数的分离，能够实时解算并显示载机和目标机信息。它能够显示包括载机和目标机的位置和航迹（经度、纬度）、高度、速度、相对距离、高差、攻击角等参数信息，实时处理监视单元可以调整载机和目标机的轨迹的点数，显示比例图可以放大缩小，可以使用电子地图作为显示系统的背景，也可以制作有简单地标组成的地图作为显示背景，显示时自动剔除误码，选取轨迹图中的历史点，可以弹出窗口显示该点数据等。实时采集数据处理流程图如图4所示。

2.4 事后处理系统

试验结束后，事后处理单元对载机GPS、目标机GPS和基准站GPS的原始观测数据进行差分处理，得到比试验时更高精度的信息，以对试验弹数据结果对应的条件进行进一步分析。它主要包括数据回放模块和差分处理模块，主要功能包括选取地面工作站、载机和目标机的数据进行回放，显示试验弹参数和载机、目标机的GPS信息；对地面工作站、载机和目标机GPS数据进行高精度GPS差分处理；计算地面工作站、载机与目标机的相对位置等。

3 实施效果

该系统能够实时显示载机、目标机的速度、高度、位置、轨迹以及目标机相对于载机的速度、距离、攻击角等信息，便于地面指挥人员调度载机和目标机按大纲预先设定的航线飞行，大大提高了试验的成功率和准确度，并且能够实时记录载机和目标机的飞行轨迹，以便进行更精确的事后数据分析。飞行试验效果如图5所示。

4 结 语

本文利用GPS轨迹测量系统，实现了导弹系留试验中目标机和载机的位置、速度等信息的实时显示，为地面的试验指挥人员实时获取载机和目标机的相关信息，为试验的指挥提供了可靠的数据，大大提高了试验的成功率，同时该系统也可以用于地面绕飞试验等，为飞行试验提供了有力的技术保障。

参考文献

[1] 杨晨，叶少杰，周颐.空空导弹试验和鉴定[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2] 王德周，李耀民.基于GPS技术辅助雷达引导系统设计[J].计算机测量与控制，2013（1）：139?141.

[3] 张建学.空空导弹GPS飞行轨迹软件的设计与实现[J].电子设计工程，2012，20（1）：59?62.

[4] 何睿，章坚武.GPS电子地图坐标转换方法研究[J].火控雷达技术，2006，6（2）：82?84.

[5] 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].2版.武汉：武汉大学出版社，2011.

[6] 桂延宁，张福顺，焦李成.飞行轨迹及参数测量的一种新方法[J].电子学报，2003（12）：1894?1896.

2 方案设计

2.1 载机综合数据发送系统

载机综合数据发送系统设计主要包括结构设计和电子部件设计。电子部件包括GPS接收天线、GPS接收机、试验弹数据接收单元、数据融合处理组件、数据记录组件、扩频发射机、发射天线、电源和吊舱弹体。组成框图如图2所示。

载机综合数据发送系统的主要功能主要包括接收GPS卫星信号，解算出GPS天线的位置、速度及精确时间等信息，并将解算出的信息和原始信息传至地面站；有线和近距无线接收同一载机另一侧挂载的试验弹的主要工作参数并实时回传地面站；记录GPS原始观测数据和试验弹的主要工作参数；系统地面自检功能等。GPS数据除时间、三维位置、速度信息外，还应有L1波段多普勒测量值、载波相位测量值、C/A码伪距测量值、卫星索引、精度因子等，以便于事后差分和数据分析等使用。

2.2 GPS地面接收站

地面工作站主要包括：接收天线、载机数据扩频接收单元、目标机GPS数据扩频接收单元、GPS基准站、数据合并单元、实时处理监视单元、485总线数据输出单元、事后处理单元，功能组成框图如图3所示。

地面工作站主要功能为：

（1） 保证在规定飞行区域范围内，可靠接收载机综合数据发送系统和目标机GPS遥测系统的数据信息；

（2） 接收并记录基准站、载机、目标机GPS原始观测数据、可实现事后数据读取和重放；

（3） 将载机和目标机信息融合后实时传输出给实时处理监视单元并记录；

（4） 实时处理监视单元可以调整载机和目标机的轨迹的点数，显示比例图可以放大缩小；可以使用电子地图作为显示系统的背景，也可以制作有简单地标组成的地图作为显示背景；显示时自动剔除误码；选取轨迹图中的历史点，可以弹出窗口显示该点数据；

（5） 用无线网络的方式，选择全部或部分信息传输至第二显示终端，为领航、决策提供依据等。

2.3 实时采集处理监视系统

实时处理软件包含实时存贮、GPS参数解算、载机和目标机实时显示、远程数据发送等模块。用于实时存贮、接收、处理并监视载机和目标机的飞行状态，及试验弹的工作状态，它具有同步码的容错处理以及时码的判断，丢帧检查功能；实时接收、存储、解算由网络传送来的载机和目标机的GPS数据，能够完成GPS数据和导弹工作参数的分离，能够实时解算并显示载机和目标机信息。它能够显示包括载机和目标机的位置和航迹（经度、纬度）、高度、速度、相对距离、高差、攻击角等参数信息，实时处理监视单元可以调整载机和目标机的轨迹的点数，显示比例图可以放大缩小，可以使用电子地图作为显示系统的背景，也可以制作有简单地标组成的地图作为显示背景，显示时自动剔除误码，选取轨迹图中的历史点，可以弹出窗口显示该点数据等。实时采集数据处理流程图如图4所示。

2.4 事后处理系统

试验结束后，事后处理单元对载机GPS、目标机GPS和基准站GPS的原始观测数据进行差分处理，得到比试验时更高精度的信息，以对试验弹数据结果对应的条件进行进一步分析。它主要包括数据回放模块和差分处理模块，主要功能包括选取地面工作站、载机和目标机的数据进行回放，显示试验弹参数和载机、目标机的GPS信息；对地面工作站、载机和目标机GPS数据进行高精度GPS差分处理；计算地面工作站、载机与目标机的相对位置等。

3 实施效果

该系统能够实时显示载机、目标机的速度、高度、位置、轨迹以及目标机相对于载机的速度、距离、攻击角等信息，便于地面指挥人员调度载机和目标机按大纲预先设定的航线飞行，大大提高了试验的成功率和准确度，并且能够实时记录载机和目标机的飞行轨迹，以便进行更精确的事后数据分析。飞行试验效果如图5所示。

4 结 语

本文利用GPS轨迹测量系统，实现了导弹系留试验中目标机和载机的位置、速度等信息的实时显示，为地面的试验指挥人员实时获取载机和目标机的相关信息，为试验的指挥提供了可靠的数据，大大提高了试验的成功率，同时该系统也可以用于地面绕飞试验等，为飞行试验提供了有力的技术保障。

参考文献

[1] 杨晨，叶少杰，周颐.空空导弹试验和鉴定[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2] 王德周，李耀民.基于GPS技术辅助雷达引导系统设计[J].计算机测量与控制，2013（1）：139?141.

[3] 张建学.空空导弹GPS飞行轨迹软件的设计与实现[J].电子设计工程，2012，20（1）：59?62.

[4] 何睿，章坚武.GPS电子地图坐标转换方法研究[J].火控雷达技术，2006，6（2）：82?84.

[5] 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].2版.武汉：武汉大学出版社，2011.

[6] 桂延宁，张福顺，焦李成.飞行轨迹及参数测量的一种新方法[J].电子学报，2003（12）：1894?1896.

2 方案设计

2.1 载机综合数据发送系统

载机综合数据发送系统设计主要包括结构设计和电子部件设计。电子部件包括GPS接收天线、GPS接收机、试验弹数据接收单元、数据融合处理组件、数据记录组件、扩频发射机、发射天线、电源和吊舱弹体。组成框图如图2所示。

载机综合数据发送系统的主要功能主要包括接收GPS卫星信号，解算出GPS天线的位置、速度及精确时间等信息，并将解算出的信息和原始信息传至地面站；有线和近距无线接收同一载机另一侧挂载的试验弹的主要工作参数并实时回传地面站；记录GPS原始观测数据和试验弹的主要工作参数；系统地面自检功能等。GPS数据除时间、三维位置、速度信息外，还应有L1波段多普勒测量值、载波相位测量值、C/A码伪距测量值、卫星索引、精度因子等，以便于事后差分和数据分析等使用。

2.2 GPS地面接收站

地面工作站主要包括：接收天线、载机数据扩频接收单元、目标机GPS数据扩频接收单元、GPS基准站、数据合并单元、实时处理监视单元、485总线数据输出单元、事后处理单元，功能组成框图如图3所示。

地面工作站主要功能为：

（1） 保证在规定飞行区域范围内，可靠接收载机综合数据发送系统和目标机GPS遥测系统的数据信息；

（2） 接收并记录基准站、载机、目标机GPS原始观测数据、可实现事后数据读取和重放；

（3） 将载机和目标机信息融合后实时传输出给实时处理监视单元并记录；

（4） 实时处理监视单元可以调整载机和目标机的轨迹的点数，显示比例图可以放大缩小；可以使用电子地图作为显示系统的背景，也可以制作有简单地标组成的地图作为显示背景；显示时自动剔除误码；选取轨迹图中的历史点，可以弹出窗口显示该点数据；

（5） 用无线网络的方式，选择全部或部分信息传输至第二显示终端，为领航、决策提供依据等。

2.3 实时采集处理监视系统

实时处理软件包含实时存贮、GPS参数解算、载机和目标机实时显示、远程数据发送等模块。用于实时存贮、接收、处理并监视载机和目标机的飞行状态，及试验弹的工作状态，它具有同步码的容错处理以及时码的判断，丢帧检查功能；实时接收、存储、解算由网络传送来的载机和目标机的GPS数据，能够完成GPS数据和导弹工作参数的分离，能够实时解算并显示载机和目标机信息。它能够显示包括载机和目标机的位置和航迹（经度、纬度）、高度、速度、相对距离、高差、攻击角等参数信息，实时处理监视单元可以调整载机和目标机的轨迹的点数，显示比例图可以放大缩小，可以使用电子地图作为显示系统的背景，也可以制作有简单地标组成的地图作为显示背景，显示时自动剔除误码，选取轨迹图中的历史点，可以弹出窗口显示该点数据等。实时采集数据处理流程图如图4所示。

2.4 事后处理系统

试验结束后，事后处理单元对载机GPS、目标机GPS和基准站GPS的原始观测数据进行差分处理，得到比试验时更高精度的信息，以对试验弹数据结果对应的条件进行进一步分析。它主要包括数据回放模块和差分处理模块，主要功能包括选取地面工作站、载机和目标机的数据进行回放，显示试验弹参数和载机、目标机的GPS信息；对地面工作站、载机和目标机GPS数据进行高精度GPS差分处理；计算地面工作站、载机与目标机的相对位置等。

3 实施效果

该系统能够实时显示载机、目标机的速度、高度、位置、轨迹以及目标机相对于载机的速度、距离、攻击角等信息，便于地面指挥人员调度载机和目标机按大纲预先设定的航线飞行，大大提高了试验的成功率和准确度，并且能够实时记录载机和目标机的飞行轨迹，以便进行更精确的事后数据分析。飞行试验效果如图5所示。

4 结 语

本文利用GPS轨迹测量系统，实现了导弹系留试验中目标机和载机的位置、速度等信息的实时显示，为地面的试验指挥人员实时获取载机和目标机的相关信息，为试验的指挥提供了可靠的数据，大大提高了试验的成功率，同时该系统也可以用于地面绕飞试验等，为飞行试验提供了有力的技术保障。

参考文献

[1] 杨晨，叶少杰，周颐.空空导弹试验和鉴定[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2] 王德周，李耀民.基于GPS技术辅助雷达引导系统设计[J].计算机测量与控制，2013（1）：139?141.

[3] 张建学.空空导弹GPS飞行轨迹软件的设计与实现[J].电子设计工程，2012，20（1）：59?62.

[4] 何睿，章坚武.GPS电子地图坐标转换方法研究[J].火控雷达技术，2006，6（2）：82?84.

[5] 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].2版.武汉：武汉大学出版社，2011.

[6] 桂延宁，张福顺，焦李成.飞行轨迹及参数测量的一种新方法[J].电子学报，2003（12）：1894?1896.