基于卫星定位技术的动态定位系统设计及试验研究
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摘要
高精度的精准打击武器在现代战争中备受关注,具有卫星定位功能的引信已成为各国军事研究的热点,但目前卫星定位接收设备在高动态环境下捕获卫星信号和处理定位数据的实时性仍无法得到满足。
在介绍了卫星定位系统的国内外发展和应用情况的基础上,对卫星定位技术在引信中的应用途径进行了分类和概括,分析了卫星定位系统应用于引信存在的主要技术难点并提出了解决的途径和方法。通过对卫星定位系统快速定位需求、启动过程和关键技术指标的分析,提出了高动态下快速定位方案,重点设计了外部处理模块辅助系统和A-GPS辅助系统的总体方案、系统结构和工作过程,并在理论上对启动速度进行了计算。
针对卫星定位系统应用于引信需要对弹道数据进行实时高复杂度处理,进行了以DSP作为数据处理核心的高动态定位系统设计,对系统各模块进行了器件选型、结构设计以及硬件电路设计,并用汇编、C/C++语言进行了软件设计,包括系统初始化,存储器配置,接收和提取定位信息,数值转换以及对弹道定位数据的坐标转换和断点补充。
本文以DSP入门套件(DSK)作为数据平台以及仿真器作为仿真工具,通过CCS仿真环境对系统各硬件模块和软件程序进行调试和检验,实现了实时定位数据处理功能。进行了A-GPS辅助启动、无辅助冷启动及失锁重捕定位时间的测试和比较,并进行了静态和准动态下的系统实验,通过MATLAB软件对实验数据进行仿真并以计算圆概率半径分析了定位精度,所设计的坐标转换和断点补充功能算法在试验中得到了验证。
The high-precision weapons for accurate attack are getting more and more attention in the modern war. The development of fuzes which have the function of satellite positioning has become a hotspot in the military research. However, the real-time performance of the satellite positioning system to capture the satellite signals and process the positioning data in the high-dynamic environment is still not satisfied today.
Based on the brief introduction of the development and the application of the satellite positioning system over the world, the applications of the satellite positioning system in fuzes are classified and summarized. The technical difficulties existing in these applications are analyzed and the possible solutions are proposed. According to the analysis of the needs of the quick start-up, the starting process, the key technical indicators and the scheme of quick start-up in the high-dynamic environment are proposed. Among above, the working principle of the external processing modules assisted system and A-GPS system are designed, the starting speed of which is calculated in the theory.
The satellite positioning system under high-dynamic state is designed by using DSP as the data processing core in the light of the real-time trajectory data needed to be processed complicatedly. What's more, the components of the module are selected, and the configuration as well as the circuit for the module is also designed. Using assembly and C/C++ language, some functions are realized, which including the system initialization, the memory configuration, the reception and extraction of the positioning signals, the numerical conversion, the coordinate transformation and the breakpoint supplement for the trajectory positioning data.
The system is debugged and tested by DSK and a simulator in CCS to realize the function of real-time data processing. Further more, the starting time of A-GPS, non-assisted cold start and lock-lose information reacquisition are tested and compared. The experiments are carried out in the condition of tatic state and quasi-dynamic state respectively, and the simulation is made to analyze the magnitude using MATLAB. The experimental results show that the algorithm designed for the coordinate transformation and breakpoint supplement is proved to be implemented.
在介绍了卫星定位系统的国内外发展和应用情况的基础上,对卫星定位技术在引信中的应用途径进行了分类和概括,分析了卫星定位系统应用于引信存在的主要技术难点并提出了解决的途径和方法。通过对卫星定位系统快速定位需求、启动过程和关键技术指标的分析,提出了高动态下快速定位方案,重点设计了外部处理模块辅助系统和A-GPS辅助系统的总体方案、系统结构和工作过程,并在理论上对启动速度进行了计算。
针对卫星定位系统应用于引信需要对弹道数据进行实时高复杂度处理,进行了以DSP作为数据处理核心的高动态定位系统设计,对系统各模块进行了器件选型、结构设计以及硬件电路设计,并用汇编、C/C++语言进行了软件设计,包括系统初始化,存储器配置,接收和提取定位信息,数值转换以及对弹道定位数据的坐标转换和断点补充。
本文以DSP入门套件(DSK)作为数据平台以及仿真器作为仿真工具,通过CCS仿真环境对系统各硬件模块和软件程序进行调试和检验,实现了实时定位数据处理功能。进行了A-GPS辅助启动、无辅助冷启动及失锁重捕定位时间的测试和比较,并进行了静态和准动态下的系统实验,通过MATLAB软件对实验数据进行仿真并以计算圆概率半径分析了定位精度,所设计的坐标转换和断点补充功能算法在试验中得到了验证。
The high-precision weapons for accurate attack are getting more and more attention in the modern war. The development of fuzes which have the function of satellite positioning has become a hotspot in the military research. However, the real-time performance of the satellite positioning system to capture the satellite signals and process the positioning data in the high-dynamic environment is still not satisfied today.
Based on the brief introduction of the development and the application of the satellite positioning system over the world, the applications of the satellite positioning system in fuzes are classified and summarized. The technical difficulties existing in these applications are analyzed and the possible solutions are proposed. According to the analysis of the needs of the quick start-up, the starting process, the key technical indicators and the scheme of quick start-up in the high-dynamic environment are proposed. Among above, the working principle of the external processing modules assisted system and A-GPS system are designed, the starting speed of which is calculated in the theory.
The satellite positioning system under high-dynamic state is designed by using DSP as the data processing core in the light of the real-time trajectory data needed to be processed complicatedly. What's more, the components of the module are selected, and the configuration as well as the circuit for the module is also designed. Using assembly and C/C++ language, some functions are realized, which including the system initialization, the memory configuration, the reception and extraction of the positioning signals, the numerical conversion, the coordinate transformation and the breakpoint supplement for the trajectory positioning data.
The system is debugged and tested by DSK and a simulator in CCS to realize the function of real-time data processing. Further more, the starting time of A-GPS, non-assisted cold start and lock-lose information reacquisition are tested and compared. The experiments are carried out in the condition of tatic state and quasi-dynamic state respectively, and the simulation is made to analyze the magnitude using MATLAB. The experimental results show that the algorithm designed for the coordinate transformation and breakpoint supplement is proved to be implemented.
引文
[1]洪元军,雷雅茹.国外弹道修正引信发展现状研究.探测与控制学报,2001,23(4):1-5
[2]石建康,汪锐.常规弹药与引信技术发展趋势.国防技术基础,2003(5):42-45
[3]柏席峰,陈永新.国外弹道修正引信技术发展现状.国外引信发展动态,2007(1):2-8
[4]卓林.高动态GPS接收机方案设计及应用研究.硕士学位论文:哈尔滨工业大学,2005
[5]刑佩旭.世界主要几种卫星导航定位系统的现状与发展.港工技术,2003(3):52-55
[6]何香玲,张跃,郑钢,曲天培.GPS全球卫星定位技术的发展现状、动态及应用.微计算机信息,2002,18(5):3-5
[7]刑佩旭.世界主要几种卫星导航定位系统的现状与发展.港工技术,2003(1):52-55
[8]李铁,孙贵新.“伽利略”卫星导航系统综述.国外电子测量技术,2005,24(11):5-8
[9]杨军,曹冲.我国北斗卫星导航系统应用需求及效益分析.武汉大学学报,2004,29(9):775-778
[10]李永泉,高成发.北斗卫星导航定位系统简介.现代测绘,2001(4):10-11
[11]马宝华.战争、技术与引信——关于引信及引信技术的发展.探测与控制学报,2001,23(1):1-6
[12]Hollis.Design and Analysis of a Fuze-Configurable Range Correction for an Artillery Projectile.ARL-TR-2074,2004,3:32-35
[13]王永寿.美国海军的舰载对陆攻击武器系统.飞航导弹,2001(4):1-5
[14]张新伟.高动态GPS接收机设计与分析.硕士学位论文:哈尔滨工业大学,2004
[15]董公昌,艾冬生,邵晓光.GPS技术在弹道轨迹测试中的应用.第十二届引信学术年会论文集,2001,89-96
[16]姚羽,张力余.用于靶场测试的GPS弹载转发器系统.导弹与航天运载技术,1995(1):35-39
[17]黄勇,高路.GPS在弹道测量中应用高度的研究.中国航空学会第四届通讯导航技术学术交流会,1996,62-66
[18]灿林,李相平.无线电制导.北京:国防工业出版社,1995
[19]周鹏,马歆.陆基巡航导弹四组合制导系统仿真研究.中国惯性技术学报, 2002(4):1-8
[20]刘准,陈哲.INS/GPS/TERCOM组合制导系统中的信息融合方法研究.宇航学报,2001(3):26-32
[21]李军.GPS系统的发展趋势及对我国应用的影响.飞行器测控学报,2001,20(3):21-26
[22]孙磊.火箭弹引信二维弹道修正原理与关键技术研究.博士学位论文:南京理工大学,2005
[23]何香玲,张跃,郑钢,曲天培.GPS全球卫星定位技术的发展现状、动态及应用.微计算机信息,2002,18(5):3-5
[24]王惠南.GPS导航原理与应用.北京:科学出版社,2003
[25]张斌.GPS定位原理及其在引信中的应用研究.现代引信,1997(1):27-30
[26]席献光,张锁胸,王慧君.卫星导航系统发展动态.飞行器测控学报,2003,22(1):1-6
[27]张河,孙垒.GPS接收系统的研制和应用.传感器技术,2004,23(8):23-27
[28]虎晓伟.弹道修正技术反导应用.火力与指挥控制,2004(5):41-43
[29]常悦,王向彬,高敏.GPS一维弹道修正引信修正算法研究.军械工程学院学报,2005,17(4):16-18
[30]洪元军.国外弹道修正引信发展现状研究.探测与控制学报,2001,23(4):2-5
[31]孙磊,张河.具有弹道修正功能的引信设计.南京理工大学学报,2005,29(3):23-15
[32]霍鹏飞,施坤林.一种导航式二维弹道修正引信的设计和关键技术分析.探测与控制学报,2005,27(3):31-34
[33]徐劲祥,宋锦武,夏群力.弹道修正弹末段脉冲推力控制研究.弹道学报,2005,17(2):19-23
[34]高敏,徐建国,赵强.GPS弹道修正引信机电安全系统与起爆控制技术研究.军械工程学院学报,2005,17(2):1-3
[35]周军.软杀伤技术综述.飞航导弹,2001(8):7-9
[36]虞继进.数字高程模型(DEM)的建立与应用.江苏测绘,1999(9):33-36
[37]王磊,翟国君.一种利用GPS进行动态载体姿态测量的新方法.测绘通报,2006(10):33-35
[38]韩世杰.GPS卫星导航系统的新发展.航空电子技术,2000(4):21-28
[39]Schmudt George T.GPS/INS Technology Trends for Military System.Guidance,Navigation and Control Conference,2006,1:23-25
[40]陶诗.DSP在INS/GPS组合导航系统中的应用.学位论文,西安:西北工业大学, 2003
[41]王国余,张欣.新型磁阻传感器在地磁场测量中的应用.传感器技术,2002(10):43-45
[42]华菊仙.弹道修正引信:拓宽炮兵弹药精确化之路.现代军事,2005(10):50-53
[43]乐四海,温日,红常青.动态下GPS接收机载波跟踪技术的研究.导航,2006(6):47-53
[44]陈志军,许坚,韩政.GPS自适应天线阵在动态实时抗干扰中的应用研究.测绘信息与工程,2007,32(1):36-37
[45]Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces(INTERFACE SPECIFICATION,IS-GPS-200).Revision D,2004:287-289
[46]张守信.GPS卫星测量定位理论与应用.长沙:国防科技大学出版社,1996
[47]李继忠,李巍.高动态GPS接收机中伪码捕获问题研究.现代雷达,2006,12(28):104-106
[48]Elliott D K.Understanding GPS Principles and Applications.Artech house,1996:204-206
[49]campanile J,DetachmentN.GPS Acquisition Performance in the Presence of Jamming.Proc.OflON GPS,1999:257-264
[50]杨春宝,尤政,张勇.航天GPS接收机信号搜索捕获策略.北京航空航天大学学报,2005,31(12),1269-1273
[51]薛文芳,邵定蓉,李署坚.GPS接收机中伪随机码快速捕获技术的研究.北京航空航天大学学报,2003,29(6):489-491
[52]AssistNow Free A-GPS Services.u-blox,2008
[53]郑红,吴冠.TMS320C54XDSP应用系统设计.硕士学位论文:北京航空航天大学,2002
[54]u-blox Datasheet,u-blox.2008
[55]TMS320C54x DSP Reference Set Volume 5:Enhanced Peripherals.TI公司,2001
[56]王运盛.基于DSP的GPS/DR组合导航系统设计.硕士学位论文:武汉大学,2005
[57]姜沫岐,许涵,俞鹏,段国强.DSP原理与应用从入门到提高.北京:机械工业出版社,2007
[58]范寿康,尹磊,曲丽荣,李进.DSP技术与DSP芯片.北京:电子工业出版社,2007
[59]薛志宏,刘建业.TMS320C54XX系列DSP异步串行数据传输的研究与实现.工业控制计算机,2003,16(6):17-19
[60]薛志宏,刘建业.TMS320C54XX系列DSP与PC机间串行通信的实现.集成电路应用,2003(5):78-80
[61]MAX3110E/MAX3111E Data Sheet.MAXIM公司,2001
[62]王剑,杨大凯,蔡伯根.MAX3111芯片在GPS接收设备中的应用.2001嵌入式系统及单片机国际学术交流会论文集,2001(6):572-577
[63]骆京晶,郑庆庆.C5402与PC机之间异步串行通信.信息技术,2007(1):23-25
[64]罗兴宇.基于DSP技术的高动态GPS接收机的研制.硕士学位论文:北京航空航天大,2002
[65]鲍裕良.基于DSP采集和处理GPS信号的系统设计.学位论文:武汉理工大学,2005
[66]惠建刚,许志猛,李兵兵.TMS320VC5402DSP与通用异步收发器MAX3111的接口设计.电信交换,2004(4):43-48
[67]纪震,钟锦春,强乐.DSP系统入门与实践.北京:电子工业出版社,2006
[2]石建康,汪锐.常规弹药与引信技术发展趋势.国防技术基础,2003(5):42-45
[3]柏席峰,陈永新.国外弹道修正引信技术发展现状.国外引信发展动态,2007(1):2-8
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[7]刑佩旭.世界主要几种卫星导航定位系统的现状与发展.港工技术,2003(1):52-55
[8]李铁,孙贵新.“伽利略”卫星导航系统综述.国外电子测量技术,2005,24(11):5-8
[9]杨军,曹冲.我国北斗卫星导航系统应用需求及效益分析.武汉大学学报,2004,29(9):775-778
[10]李永泉,高成发.北斗卫星导航定位系统简介.现代测绘,2001(4):10-11
[11]马宝华.战争、技术与引信——关于引信及引信技术的发展.探测与控制学报,2001,23(1):1-6
[12]Hollis.Design and Analysis of a Fuze-Configurable Range Correction for an Artillery Projectile.ARL-TR-2074,2004,3:32-35
[13]王永寿.美国海军的舰载对陆攻击武器系统.飞航导弹,2001(4):1-5
[14]张新伟.高动态GPS接收机设计与分析.硕士学位论文:哈尔滨工业大学,2004
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[16]姚羽,张力余.用于靶场测试的GPS弹载转发器系统.导弹与航天运载技术,1995(1):35-39
[17]黄勇,高路.GPS在弹道测量中应用高度的研究.中国航空学会第四届通讯导航技术学术交流会,1996,62-66
[18]灿林,李相平.无线电制导.北京:国防工业出版社,1995
[19]周鹏,马歆.陆基巡航导弹四组合制导系统仿真研究.中国惯性技术学报, 2002(4):1-8
[20]刘准,陈哲.INS/GPS/TERCOM组合制导系统中的信息融合方法研究.宇航学报,2001(3):26-32
[21]李军.GPS系统的发展趋势及对我国应用的影响.飞行器测控学报,2001,20(3):21-26
[22]孙磊.火箭弹引信二维弹道修正原理与关键技术研究.博士学位论文:南京理工大学,2005
[23]何香玲,张跃,郑钢,曲天培.GPS全球卫星定位技术的发展现状、动态及应用.微计算机信息,2002,18(5):3-5
[24]王惠南.GPS导航原理与应用.北京:科学出版社,2003
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[29]常悦,王向彬,高敏.GPS一维弹道修正引信修正算法研究.军械工程学院学报,2005,17(4):16-18
[30]洪元军.国外弹道修正引信发展现状研究.探测与控制学报,2001,23(4):2-5
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[34]高敏,徐建国,赵强.GPS弹道修正引信机电安全系统与起爆控制技术研究.军械工程学院学报,2005,17(2):1-3
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[37]王磊,翟国君.一种利用GPS进行动态载体姿态测量的新方法.测绘通报,2006(10):33-35
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[40]陶诗.DSP在INS/GPS组合导航系统中的应用.学位论文,西安:西北工业大学, 2003
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[42]华菊仙.弹道修正引信:拓宽炮兵弹药精确化之路.现代军事,2005(10):50-53
[43]乐四海,温日,红常青.动态下GPS接收机载波跟踪技术的研究.导航,2006(6):47-53
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[45]Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces(INTERFACE SPECIFICATION,IS-GPS-200).Revision D,2004:287-289
[46]张守信.GPS卫星测量定位理论与应用.长沙:国防科技大学出版社,1996
[47]李继忠,李巍.高动态GPS接收机中伪码捕获问题研究.现代雷达,2006,12(28):104-106
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[59]薛志宏,刘建业.TMS320C54XX系列DSP异步串行数据传输的研究与实现.工业控制计算机,2003,16(6):17-19
[60]薛志宏,刘建业.TMS320C54XX系列DSP与PC机间串行通信的实现.集成电路应用,2003(5):78-80
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[62]王剑,杨大凯,蔡伯根.MAX3111芯片在GPS接收设备中的应用.2001嵌入式系统及单片机国际学术交流会论文集,2001(6):572-577
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[66]惠建刚,许志猛,李兵兵.TMS320VC5402DSP与通用异步收发器MAX3111的接口设计.电信交换,2004(4):43-48
[67]纪震,钟锦春,强乐.DSP系统入门与实践.北京:电子工业出版社,2006