一种机载红外测量系统引导模块设计

梁葆华 LIANG Bao-hua；井哲 JING Zhe；杨晓萍 YANG Xiao-ping

（中国飞行试验研究院航电所，西安710089）

0 引言

未来的先进战斗机均采取了红外措施，其红外辐射大大衰减，如隐身作为未来战机的几大特征之一[1]，其红外性能的动态测试与评估，将是试飞工作中的一项非常重要的内容。需要通过载机平台加装机载红外测量系统对目标的红外特性进行测量，以获取高置信度的测量结果，为消除测量距离上大气对红外衰减的影响，要求测量距离尽可能近，着重在距目标机几十米至几百米内情况下的红外辐射特性，然而如果探测距离近必将导致试验时间短暂，试验数据获取难度增大，因此要求红外测量系统需要快速跟踪目标，最大限度获取红外特性数据，为实现红外测量系统快速跟踪目标，需要研制引导系统向红外测量系统提供实时目标方位、距离等引导信息，以满足快速引导红外测量系统跟踪目标的目的。本文就红外测量系统的引导模块进行了详细设计，并进行了相关实验测试。

1 红外测量系统引导模块基本原理

红外测量系统一般吊挂在飞机上，用于空对空动态目标红外辐射特性跟踪测量，图1所示为测量目标尾向情况飞行态势。目标机将自身位置、速度信息通过数传电台发送给红外测量飞机的引导解算单元，引导解算单元通过目标机位置、本机位置、姿态等信息计算目标机相对于红外测量载机的方位、距离信息，并将该信息通过内部总线发送给红外测量系统，引导其快速对目标进行跟踪测量。

图1 红外测量飞行态势

2 引导解算模型

引导过程即已知载机大地坐标（B0,L0,h0），目标的大地坐标(B1,L1,h1)，求解目标相对载机机体坐标系(α，λ，R)的过程。其中α是方位角，λ是俯仰角，R是距离，引导解算过程就是坐标转换过程，即从大地坐标系转至大地直角坐标系转至地理坐标系最后转至载机坐标系。

①将载机、目标机的经度、纬度、高度转换为地心直角坐标。

按照式（1）将载机和目标机大地坐标系变换至载机地心直角坐标（x0、y0、z0）和目标机地心直角坐标（x1、y1、z1）。

②将目标机的地心直角坐标转换为载机地理系（北东天坐标系）坐标。

根据1）计算得到的载机、目标机地心直角坐标，按照式（4）将目标机地心直角坐标转换至在载机地理系中的坐标（xg、yg、zg）。

③将目标机地理系坐标转换为机体系坐标。

根据公式（4）计算结果，按照式（5）将目标机地理坐标系转换至机体坐标系中的坐标（xb、yb、zb）。

公式（5）中yaw—载机真航向、pitch—载机俯仰角、roll—载机横滚角。

④引导输出机体方位角计算。

引导机体方位角α按式（6）计算：

⑤引导输出机体系俯仰角计算。

引导输出机体系俯仰角λ按式（7）计算：

3 引导系统硬件方案设计

根据该项目的技术需求，引导系统总体硬件实现方案框图如图2所示。红外测量引导系统由时码发生器、GSP接收机、电台、引导任务处理机组成。其中时码发生器也称B码发生器，主要用于接收GPS时间，并向整个被试系统和配试系统提供统一的时间基准；数传电台用于接收目标机（被测量飞机）的GPS位置信息，通过RS-422总线发送给引导任务处理机；GPS接收机用于接收GPS信息，获取本机位置、速度信息，RS-232总线发送给引导任务处理机；引导任务处理机用于接收载机平台、目标机等信息，对信息进行时间同步和外推等预处理后再进行引导解算，并将解算的距离、方位等引导信息周期性通过1553B总线发送给加装的红外测量吊舱。

图2 硬件实现框图

3.1 时码发生器 时码发生器选用AGB-2型机载GPS-B时码发生器（型号G200904697、G200904698），其工作原理为接收GPS卫星信号，依据接收到的标准GPS时间和1PPS定时信号，产生多路IRIG-B时码（AC码）信号。

3.2 GPS接收机 GPS接收机选用型号为诺瓦太公司型号为DL-V3的硬件模块，以NMEA0183 GGA/VTG/RMC格式实时给出WGS-84定位坐标及速度、方向、定位状态、运行状态等信息；输出20HZ的原始观测数据和定位速度数据发送至引导任务处理机。

3.3 数传电台 数传电台选用SCADA设计的基于DSP的无线电设备，支持串行远程终端单元（RTU）和可编程逻辑控制器（PLC），用于接收目标机（被测量飞机）的GPS位置信息，通过串口发送至引导任务处理机。

3.4 引导任务处理机 引导任务处理机系统硬件由FPGA和1553B收发芯片组成，完成1553B协议的采集和回放，提供给软件控制接口和数据通道。存储单元由PCIe-SATA协议转换和SATA接口电子盘组成。可通过RS232或网络接口控制该采集存储模块，并可通过千兆以太网口下载已经记录的总线数据。系统框图如图3所示。完成对1553B总线数据的采集、转发、引导计算、存储和下载功能。

图3 接口转换设备功能框图

4 软件设计

软件系统驻留在引导任务处理机中，根据功能将软件系统分为初始化模块、RS422数据采集模块，总线监视模块，引导解算模块，远程终端模块，数据记录下载模块，其中引导解算模块处理流程如图4所示，各模块在系统整体调度下实现其对应的功能，上位机控制台与引导任务处理机交联实现对系统工作模式的切换，程序的烧录，系统软件的配置、记录数据的下载等功能。

图4 引导解算模块处理流程

5 引导系统试飞验证

为充分验证引导系统输出数据的准确性，利用机载雷达系统对引导系统输出准确性进行检查，具体方法为载机和目标机迎头进入，机载雷达对目标机进行探测跟踪，同时引导系统根据目标机和载机位置、姿态信息进行引导解算，事后将两者输出进行插值处理，分析输出结果的一致性，分析结果如图5所示，通过试飞结果分析，引导系统与机载雷达输出一致，证明引导系统的引导算法正确，可满足红外测量引导的需求。

6 结束语

现代高端技术战争，是在多维战场空间（陆、海、空、天、电子、信息）上的军事对抗，对抗的实质是探测与反探测的大对抗。随着红外技术在武器系统中的广泛应用，新型武器系统设计，迫切需要了解飞机的红外辐射特性。飞行器的红外辐射特性动态测量与研究，对飞行器红外特性设计定型鉴定、红外设计与性能验证/评估、武器制导、目标探测与识别、光电对抗、反隐身技术、仿真等等众多军事领域有着重要的应用，而红外测量引导系统是确保测量系统快速跟踪目标、获取尽可能多红外特征数据的有力保障，因此引导模块具有很强的工程应用价值，本文从引导算法、软硬件设计到最终飞行验证充分证明了该系统设计方法的正确性，对于同类引导系统研制具有很强的借鉴意义。

图5 引导输出与雷达输出对比曲线

[1]涂泽中，雷迅，胡蓉.对新一代综合航电系统发展的探讨[J].航空电子技术，2001：32（1）.

[2]王姝.机载光电测量系统引导及定位技术研究[D].长春：长春理工大学，2007.

[3]李艳晓，胡磊力，陈洪亮，车宏.基于GPS引导的高精度动态红外辐射模拟器[J].测控技术，2009：28.

[4]田伟.雷达精度试验中GPS数据坐标转换及误差分析[J].雷达与对抗，2007（2）.

[5]王国玉.电子装备试验数据处理[M].北京：国防工业出版社，2001.