CN106152882B - 一种基于超宽带技术的无线检靶方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带技术的无线检靶方法及系统，属于无线定位领域。方法包括以下步骤：地面控制基站与各定位基站进行时钟同步；控制基站通过2.4GHz的无线通信信道向靶区空域发送启动定位指令；信标弹发送UWB脉冲序列编码信号；各个定位基站依据UWB编码识别信标弹身份，以及确定该UWB编码信号到达各个定位基站的时刻；控制基站将UWB编码信号到达不同定位基站的时刻相减，得到一组时差定位算法所需的到达时延差；依据时延差，利用时间差定位算法实现对信标弹位置的精确定位。本发明定位精度高、稳定性好，能满足多管、多舰齐射情况下连续弹丸流中各弹丸脱靶量的同时、准确定位需求。

Description

一种基于超宽带技术的无线检靶方法及其系统

技术领域

本发明涉及无线定位领域，更具体地，涉及一种基于超宽带技术的无线检靶方法及其系统。

背景技术

目前，我军中大口径舰炮射击训练脱靶量检测，一般采用人工方式，消耗大量人力、物力，检靶慢、效率低、主观性大，为解决这一问题，迫切需要建设自动检靶系统，实现脱靶量的自动精确测量、弹着点分布的实时显示、射击成绩的在线评估，以引导部队开展科学有效的训练，提高战斗力。通常采用基于光学/声学[1]、GPS[2]、雷达[3]等传感器的定位技术来进行弹道测量。其中光学/声学传感器准确度为1-3m，易受大气、噪声等环境因素影响，抗干扰性弱；GPS准确度为小于1m，覆盖范围较大，但需要搜星等较长的启动准备过程，不利于弹丸的高速飞行定位，量测实时性较低，且体积大难以在弹丸上进行安装；雷达准确度为1-5m，易克服低空杂波的影响，且分辨率高，但易受目标特性影响，且多弹齐发时雷达不能进行有效的区分记录。

发明内容

针对现有技术存在的问题和迫切需求，本发明提出了一种基于超宽带技术的无线检靶方法及其系统，该方法利用UWB超宽带无线高精度定位技术，采用协同式定位工作方式，能有效解决由于弹丸体积小、速度快、飞行时间短等客观原因引起的、传统方法不易解决的测量误差大、漏测概率高、难以实现身份识别的技术问题。

一种基于超宽带技术的无线检靶方法，包括以下步骤：

第一步：地面控制基站与各定位基站时间进行时钟同步；

第二步：控制基站通过2.4GHz的无线通信信道，连续向靶区空域发送启动定位指令；

第三步：接近到靶区的信标弹收到启动定位指令后，发送一组UWB脉冲序列编码信号；

第四步：发射的UWB编码信号经过不同的传播时延τ_i后，被靶区各个定位基站i接收；各个基站i依据UWB编码识别信标弹身份，以及结合自身已同步的时钟，确定该UWB编码信号到达各个定位基站的时刻T_i，i＝1,2…,N；

第五步：各个定位基站i将到达时刻Ti通过有线电缆传输给控制基站，控制基站将UWB编码信号到达不同定位基站的时刻相减，得到一组时差定位算法所需的到达时延差ΔT_i；

第六步：依据时延差ΔT_i，利用时间差定位算法实现对信标弹位置的精确定位。

一种基于超宽带技术的无线检靶系统，包括信标弹、网络式靶区检靶处理系统、实时无线数据传输系统；

信标弹用于在收到控制基站的启动定位指令后，发送UWB脉冲序列编码信号；

网络式靶区检靶处理系统包括多个定位基站、一个控制基站及一个定位处理机；定位基站用于接收信标弹发出的UWB编码信号，完成信标弹的身份识别，以及检测UWB编码信号到达各个定位基站的时刻T_i；控制基站用于向全网定位基站发送同步控制命令以实现定位基站时钟同步，发送启动定位指令唤醒入网信标弹，并安排信标弹定位时序；汇集各定位基站检测到的UWB编码信号到达各个定位基站的时刻T_i，将UWB编码信号到达不同定位基站的时刻相减，得到一组时差定位算法所需的到达时延差ΔT_i，将时延差及信标弹身份信息转发至定位处理机；定位处理机用于依据时延差ΔT_i，利用时间差定位算法实现对信标弹位置的定位；

实时无线数据传输系统用于采用短波/超短波无线数据传输技术，将网络式靶区检靶处理系统得到的信标弹定位信息实时回传到指挥舰上。

进一步地，所述信标弹包括弹体、炸药、风帽、弹底引信和弹带，风帽、炸药和弹底引信分别安装于弹体的前端、中部和底部，弹带安装于弹底引信上部，还包括安装于所述风帽处的信标结构，所述信标结构包括信标体、超宽带标签、储备式化学电池和接线板；信标体旋入弹体，超宽带标签通过聚氨脂电子灌封料塑封于信标体和风帽组成的电子头室中而成，储备式化学电池安装于信标体下部并与超宽带标签电连接，接线板位于电池下部，用于连接超宽带标签引出导线和电池输出线。

进一步地，所述超宽带标签包括超宽带天线、反射板和电子线路，超宽带天线和反射板通过电子线路进行连接、反射板可以起到聚焦信号、屏蔽干扰的作用，从而提高超宽带天线接收信号的灵敏度。

进一步地，所述定位处理机还用于在对同一信标弹多次定位的基础上，利用滤波平滑算法对其脱靶量进行估计，并将估计得到的脱靶量通过实时无线数据传输系统回传到指挥舰上。

本发明的有益技术效果体现在：

按照本发明，基于超宽带技术的无线检靶方法在靶区周围事先布设一定拓扑结构的定位基站群，由控制基站统一进行协调管理。炮弹采用一种头部风帽加装集成了UWB无线电子标签的信标弹，当信标弹发射并接近靶区时，会在地面控制基站指令引导下发送UWB标准无线编码信号，定位基站接收到信标的编码信号后，采用时差定位算法对弹丸进行精确定位，同时利用编码数据完成弹丸的身份识别。控制基站将弹丸脱靶量通过无线数据传输系统回传指挥部，指挥部射击成绩评定系统根据脱靶量完成命中率在线评估及弹着点散步规律的分析，实时实现射击过程的成绩评定与显示。能有效解决由于弹丸体积小、速度快、飞行时间短等客观原因引起的、传统方法不易解决的测量误差大、漏测概率高、难以实现身份识别的技术难题，系统定位精度高、稳定性好，能满足多管、多舰齐射情况下连续弹丸流中各弹丸脱靶量的同时、准确定位需求。

附图说明

图1是按照基于超宽带技术的无线检靶方法所创建的协同式网络检靶系统的工作原理示意图；

图2是协同式网络检靶系统传递信号的时间顺序图；

图3是协同式网络检靶系统的组成框图；

图4是协同式网络检靶系统中所用信标弹的结构图，图4(a)是信标弹整体结构图，图4(b)是信标结构图；

图5是网络式靶区检靶处理系统的示意图；

图6是射击成绩评定与显示系统的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照基于超宽带技术的无线检靶方法所创建的协同式网络检靶系统的工作原理示意图，图2是协同式网络检靶系统传递信号的时间顺序图。具体流程如下：

第一步：地面控制基站借助高精度时间同步技术，通过电缆信号传输延迟修正、统一授时，可以实现各定位基站时间的精确时钟同步(误差±80×10-12s)；

第二步：同步之后，控制基站通过2.4GHz的无线通信信道，连续向靶区空域发送“启动定位”指令；

第三步：接近到靶区的信标弹收到“启动定位”指令后，发送一组UWB脉冲序列编码信号；

第四步：发射的UWB编码信号经过不同的传播时延τ_i后，被靶区各个定位基站接收，靶区基站通过UWB编码(UWB编码中含有信标弹身份信息)对信标弹进行身份识别，同时，各个基站0，1…，i通过UWB信号检测技术，根据自身已同步的时钟，可以确定该UWB编码信号到达各个定位基站的时刻T_i；UWB数据帧由19位数据位组成，1-2bit位是起始标志位，3-12bit位是身份ID，13-15bit位是定位脉冲位，16-17位是数据校验位，18-19biti位是结束标志位。

第五步：各个定位基站将到达时刻Ti通过有线电缆传输给控制基站，控制基站将UWB编码信号到达不同定位基站的时刻相减，得到一组TDOA算法所需的到达时延差ΔT_i；系统信号传递时序示意图如图2所示，其中，τ是“启动定位”指令从控制基站到信标弹的传输时延，τ_i是信标弹发送UWB编码信号到达各个定位基站传输时延，T_i是各个定位基站检测到的UWB信号到达时刻，UWB信号到达各定位基站的时间差ΔT_i＝τ_i-τ₀＝T_i-T₀。

第六步：利用时间差定位TDOA算法实现对信标弹位置的精确定位。还可在对同一信标弹多次定位的基础上，利用滤波平滑算法对其脱靶量进行精确估计。

该检靶方法的系统组成包括信标弹、网络式靶区检靶处理系统、实时无线数据传输系统，如图3所示。

其中信标弹是在某型爆破弹基础上，进行改装设计用于射击训练与考核评估的新型实习弹。信标弹风帽部分加装集成UWB电子标签，形成类似无线电引信的信标，发射用于无线精确定位和身份识别的UWB编码信号，信标弹结构如图4所示。如图4(a)所示，本发明所采用的信标弹包括弹体1、炸药2、风帽3、弹底引信4和弹带5。风帽3通过滚压装配到弹体1的前端，炸药2安装于弹体1的中部，弹底引信4安装于弹体1的底部，弹带5的安装于弹底引信4上部。本发明仅需对原型弹弹丸头部结构进行修改设计即可满足信标弹的功能要求，重点在于信标的设计与加装。如图4(b)所示，信标结构6包括信标体61、超宽带(UWB)标签62、储备式化学电池63和接线板64。标体61旋入弹体1，超宽带标签62通过聚氨脂电子灌封料塑封于信标体61和风帽3组成的电子头室中而成，储备式化学电池63安装于信标体61下部并与超宽带标签62电连接，接线板64位于电池61下部，用于连接超宽带标签引出导线和电池输出线。实施例中，信标体61由低碳钢制造，用于安装固定信标的其它零部件，信标体61的下端用标准的中大口径火炮用弹头引信螺纹联接弹体，其中信标体外螺纹为特M50.754×2.117，对应的弹口内螺纹为特M50.8×2.117，信标体旋入弹体深度为22.9mm。UWB标签62用聚氨脂电子灌封料塑封(固化)在由信标体61和风帽3组成的电子头室中。信标能源选用中大口径加榴炮无线电近炸引信和时间引信中大量使用的储备式化学电池63，储备式化学电池63安装于信标体61下部，发射时电池由后坐和离心双环境力激活，其尺寸为φ39×25.7，标称电压30V，负载80mA，工作时间不小于150秒，环境适应性满足GJB573A-1998《引信环境与性能试验方法》的相关要求，完全能满足使用要求。接线板64位于电池63下部，用于连接UWB标签引出导线和电池输出线。通过压螺65用于固定电池63和接线板64。风帽3由透波性能良好的改性聚笨醚等塑料制造。

网络式靶区检靶处理系统采用UWB无线高精度定位技术，基于TDOA方法，完成对信标弹高精度协同定位，实现脱靶量测算。系统包括多个定位基站、一个控制基站及一个定位处理机，如图5所示。定位基站接收信标弹发出的UWB编码信号，完成信标弹的身份识别，精确检测UWB信号到达时间，为TDOA定位算法提供输入信息。控制基站协调整个定位网络，其主要功能是：向全网定位基站发送同步控制命令，实现定位基站时钟同步；发送启动信号唤醒入网信标弹，并安排信标弹定位时序；汇集各定位基站观测数据，将UWB编码信号到达不同定位基站的时刻相减，得到一组时差定位算法所需的到达时延差ΔT_i并携同信标弹身份信息转发至定位处理机；定位处理机依据时延差ΔT_i，利用时间差定位算法实现对信标弹位置的精确确定；还可在对同一弹丸位置多次测量的基础上，利用滤波平滑算法对其脱靶量进行精确估计。

实时无线数据传输系统采用短波/超短波无线数据传输技术，将网络式靶区检靶处理系统得到的定位及脱靶量信息实时回传到指挥舰上的射击成绩评定与显示系统，用于射击成绩评估。另外，实时无线数据传输系统还可以将射击成绩评定与显示系统的控制指令传输给网络式靶区检靶处理系统，实现远程遥控及系统参数设置。

指挥舰上的射击成绩评定与显示系统如图6所示，主要功能包括：弹着点位置显示、弹道三维拟合显示、信标身份编码录取、定位数据管理、射击数据统计分析、命中成绩与射击成绩评定、系统状态显示与控制，以及对靶区检靶处理系统远程参数的配置、人员单位信息的采集录入等。

此外，还包括一些辅助设施，如靶区需要建设永久性供电系统、电缆布设坑道、定位基站固定台以及放置定位处理机等的地下室。

系统需满足的技术指标如下：

工作距离：不小于1000米；

定位精度：定位基站布置在距靶心半径100米的圆周上，单个弹丸脱靶量的测量精度：

距靶心100米范围内≤1米；

距靶心300米范围内误差≤10米；

距靶心500米范围内误差≤30米；

距靶心800米范围内≤80米。

定位速率：不小于400次/秒；

多弹丸处理能力：能同时识别、定位60枚弹丸；

弹丸漏测概率：小于5％。

系统连续工作时间：不小于50小时。

在上述基础上，该方法可实现信标弹定位与身份识别；测量记录信标弹的末弹道轨迹；测量计算信标弹的矢量脱靶量；单炮对岸射击过程命中与射击成绩评定；多炮协同火力打击过程各炮命中与射击成绩评定；记录与回放射击过程中的弹着信息；测量定位数据实时无线远程传输；状态监控、故障自检、系统重组。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于超宽带技术的无线检靶系统，其特征在于，包括信标弹、网络式靶区检靶处理系统、实时无线数据传输系统；

信标弹用于在收到控制基站的启动定位指令后，发送UWB脉冲序列编码信号；

网络式靶区检靶处理系统包括多个定位基站、一个控制基站及一个定位处理机；定位基站用于接收信标弹发出的UWB编码信号，完成信标弹的身份识别，以及检测UWB编码信号到达各个定位基站的时刻T_i；控制基站用于向全网定位基站发送同步控制命令以实现定位基站时钟同步，发送启动定位指令唤醒入网信标弹，并安排信标弹定位时序；汇集各定位基站检测到的UWB编码信号到达各个定位基站的时刻T_i，将UWB编码信号到达不同定位基站的时刻相减，得到一组时差定位算法所需的到达时延差ΔT_i，将时延差及信标弹身份信息转发至定位处理机；定位处理机用于依据时延差ΔT_i，利用时间差定位算法实现对信标弹位置的定位；

实时无线数据传输系统用于采用短波/超短波无线数据传输技术，将网络式靶区检靶处理系统得到的信标弹定位信息实时回传到指挥舰上；

所述信标弹包括弹体(1)、炸药(2)、风帽(3)、弹底引信(4)和弹带(5)，风帽(3)、炸药(2)和弹底引信(4)分别安装于弹体(1)的前端、中部和底部，弹带(5)安装于弹底引信(4)上部，还包括安装于所述风帽(3)处的信标结构(6)，所述信标结构(6)包括信标体(61)、超宽带标签(62)、储备式化学电池(63)和接线板(64)；信标体(61)旋入弹体(1)，超宽带标签(62)通过聚氨脂电子灌封料塑封于信标体(61)和风帽(3)组成的电子头室中而成，储备式化学电池(63)安装于信标体(61)下部并与超宽带标签(62)电连接，接线板(64)位于电池(61)下部，用于连接超宽带标签引出导线和电池输出线。

2.如权利要求1所述的基于超宽带技术的无线检靶系统，其特征在于，所述超宽带标签(62)包括超宽带天线、反射板和电子线路，超宽带天线和反射板通过电子线路进行连接、反射板可以起到聚焦信号、屏蔽干扰的作用，从而提高超宽带天线接收信号的灵敏度。

3.如权利要求1所述的基于超宽带技术的无线检靶系统，其特征在于，所述定位处理机还用于在对同一信标弹多次定位的基础上，利用滤波平滑算法对其脱靶量进行估计，并将估计得到的脱靶量通过实时无线数据传输系统回传到指挥舰上。