CN109560856B - 一种用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统 - Google Patents

一种用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，包括多天线模块、天线切换模块、短报文通信模块和飞行动态评估模块，飞行动态评估模块周期性获取实时飞行参数；飞行动态评估模块实时计算应切换的天线端口号，并输出给天线切换模块；飞行动态评估模块实时计算多普勒频偏，并输出给短报文通信模块；天线切换模块根据其接收到的天线端口号，将相应天线上的接收信号输出给短报文通信模块；短报文通信模块根据接收到的多普勒频偏信息，对天线切换模块输出的接收信号进行频率补偿工作，之后完成信号的解调工作。该系统通过引入飞行动态评估模块，提升短报文数据链系统对飞行动态环境的适应性。同时，跟多通道同时接收技术相比，该系统可大幅提高资源利用率，并降低系统成本，有利于产品的小型化、集成化设计。

Description

一种用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统
技术领域
本发明涉及一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，属于武器数据链系统技术领域。
背景技术
数据链是一种在传感器、指控系统、武器平台、作战部队之间实时自动进行信息处理、交换和分发的通信链路，它按照规定的通信协议和标准消息格式，利用调制解调、纠错编码、组网通信和信息融合等技术，实现星载、机载、弹载、舰载和陆基数据系统之间的信息交换，从而最大限度发挥作战效能。
北斗短报文数据链系统，利用北斗卫星的短报文通信功能，实现了武器系统和地面指挥系统之间的双向通信。目前该技术已在部分武器型号上得到了成功应用。现有的北斗短报文数据链系统，对飞行动态的适应能力上有不足，尤其是对武器的飞行姿态变化极为敏感。为保证北斗短报文链路能正常通信，部分武器型号甚至对飞行过程中的滚转角提出了一定的要求，限制了北斗短报文武器数据链在具有恶劣飞行动态条件武器(如弹道导弹武器)上的应用。为解决该问题，部分厂商将多通道同时接收技术引入到北斗短报文武器数据链的设计当中，但该技术存在资源利用率低，成本高昂，不利于小型化集成化等缺点。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术不足，提供一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，通过引入飞行动态评估模块，提升短报文数据链系统对飞行动态环境(如武器飞行姿态的剧烈变化)的适应性。同时，跟多通道同时接收技术相比，该系统可大幅提高资源利用率，并降低系统成本，有利于产品的小型化、集成化设计。
本发明采用的技术方案是：一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，包括多天线模块、天线切换模块、短报文通信模块和飞行动态评估模块，多天线模块、天线切换模块、短报文通信模块和飞行动态评估模块装在武器上；
飞行动态评估模块，周期性获取武器的实时飞行参数；根据实时飞行参数，确定应切换的天线端口号，并输出天线端口号给天线切换模块；
飞行动态评估模块，根据实时飞行参数，实时计算多普勒频偏，并输出多普勒频偏给短报文通信模块；
天线切换模块，根据其接收到的天线端口号，控制多天线模块中相应天线上接收的信号输出给短报文通信模块；
短报文通信模块，根据接收到的多普勒频偏信息，对相应天线上接收的输出的信号进行频率补偿工作，完成信号的解调工作。
飞行动态评估模块根据实时飞行参数，确定应切换的天线端口号，具体如下：
a)周期性获取实时飞行参数；
b)实时确定武器待通信的北斗卫星坐标；
c)将步骤(a)的实时飞行参数和步骤(b)北斗卫星坐标，由经纬高坐标系转换为地心地固坐标系；
d)根据地心地固坐标系下的实时飞行参数和北斗卫星坐标，计算武器通信方向指向矢量；
e)将通信方向指向矢量转换到武器载体坐标系；
f)根据武器载体坐标系下的通信方向指向矢量，判断指向矢量所在天线覆盖区，根据天线覆盖区判断出对应的天线，将该天线端口号输出给天线切换模块；
飞行动态评估模块，根据实时飞行参数，实时计算多普勒频偏，具体如下：
a)计算武器与待通信的卫星之间的距离；
b)根据计算出的武器与待通信的卫星之间的距离，计算多普勒频偏，并输出给短报文通信模块。
实时确定武器待通信的北斗卫星坐标，具体如下：
飞行动态评估模块，根据武器的经纬度，通过查询卫星坐标查找表，实时确定待通信的北斗卫星坐标。进一步的优选方案如下：
飞行动态评估模块，根据武器的经纬度，通过查询卫星坐标查找表(在说明书给出表)，实时查出待通信的卫星号，并根据卫星号确定待通信的北斗卫星坐标；为防止武器在多颗卫星覆盖区交界处飞行时，出现待通信北斗卫星坐标频繁往返切换的问题，飞行动态评估模块采取迟滞切换的方案，即当武器从第一颗北斗卫星覆盖区飞入第二颗北斗卫星覆盖区时，需要对照卫星坐标查找表连续对坐标判别N次，只有当连续N次的结果均指示武器飞入第二颗北斗卫星覆盖区时，才将飞行动态评估模块的结果更新为第二颗北斗卫星的坐标，否则仍保持为第一颗北斗卫星的坐标；其中，N根据武器的飞行速度进行择优选择，当武器飞行速度小于5马赫时，N取值5；当武器飞行速度在5马赫至10马赫之间时，N取值10；当武器飞行速度大于10马赫时，N取值30。
短报文通信模块，由下变频单元、本振单元、补偿单元和基带处理单元组成；
补偿单元计算本振单元所需的频率控制字，然后补偿单元输出本振信号给下变频单元，下变频单元将天线切换模块控制多天线模块中相应天线上接收的信号，结合本振信号生成中频信号输出给基带处理单元；基带处理单元对生成的中频信号进行解调，将解调结果输出。进一步的优选方案如下：
a)在系统初始化时，补偿单元根据载波中心频率计算本振单元所需的频率控制字；当武器与卫星之间相对运动产生多普勒效应时，补偿单元将飞行动态评估模块输出的多普勒频偏与载波中心频率相加，计算出补偿后的载波频率，并根据补偿后的载波频率，计算本振单元所需的频率控制字；b)本振单元根据补偿单元计算出的频率控制字，输出本振信号给下变频单元；c)下变频单元将天线切换模块控制多天线模块中相应天线上接收的信号，与本振单元输出的本振信号进行混频、滤波，生成中频信号输出给基带处理单元；d)基带处理单元对生成的中频信号进行解调，将解调结果输出。
实时飞行参数，包括：武器坐标和北斗卫星坐标。
武器通信方向是指：武器指向待通信的卫星的连线方向。
武器载体坐标系，原点为武器载体质心，X轴正方向为武器飞行方向，Y轴正方向指向武器天顶方向，右手定则确定Z轴。
多天线模块包括多个天线，每个天线有一个端口号，优选射频微带天线。
适用于恶劣飞行动态环境，是指飞行过程中速度快(速度快优选为适应20 马赫的飞行速度和30g的加速度)导致的多普勒效应和飞行的距离远(距离远是指能在全球范围内飞行)造成跨卫星覆盖区链路切换问题。
本发明相比现有技术具有的有益效果是：
(1)本发明提升了短报文数据链系统对飞行动态环境(如飞行过程中速度快导致的多普勒效应和飞行的距离远造成跨卫星覆盖区链路切换问题)的适应性。
(2)本发明跟多通道同时接收技术相比，该系统可大幅提高资源利用率，并降低系统成本，有利于产品的小型化、集成化设计。
(3)本发明中的飞行动态评估模块，通过采取迟滞切换的方案，避免出现在多颗卫星覆盖区交界处飞行时，出现待通信北斗卫星坐标频繁往返切换的问题。
(4)本发明的飞行动态评估模块，在迟滞切换过程中采取根据武器的飞行速度进行择优选择判别次数的方案，增强了系统对不同飞行条件的适应能力。
(5)本发明的短报文通信模块，通过采用频偏补偿的方式，增强了系统对多普勒效应的适应性，使系统所能够适应的飞行速度由5马赫提高到20马赫，加速度由5g提升到30g。
附图说明
图1是本发明实现的系统框图。
图2是本发明中飞行动态评估模块的工作流程图。
图3是假设某型号上在武器弹周方向等间隔布置三副天线，某次计算结果显示通信方向指向矢量被天线1所在区域覆盖图。
图4是短报文通信模块的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统。包括多天线模块、天线切换模块、短报文通信模块和飞行动态评估模块，其工作流程为：a)飞行动态评估模块周期性获取实时飞行参数；b)飞行动态评估模块实时计算应切换的天线端口号，并输出给天线切换模块；d)飞行动态评估模块实时计算多普勒频偏，并输出给短报文通信模块；e)天线切换模块根据其接收到的天线端口号，将相应天线上的接收信号输出给短报文通信模块；f)短报文通信模块根据接收到的多普勒频偏信息，对天线切换模块输出的接收信号进行频率补偿工作，之后完成信号的解调工作。该系统通过引入飞行动态评估模块，提升短报文数据链系统对飞行动态环境(如武器飞行姿态的剧烈变化) 的适应性。同时，跟多通道同时接收技术相比，该系统可大幅提高资源利用率，并降低系统成本，有利于产品的小型化、集成化设计。
本发明一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，包括：接收北斗卫星系统发来的前向指令(如打击目标坐标装订等)，并发送武器关键遥测信息(如武器位置等)。
如附图1所示，一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，包括多天线模块、天线切换模块、短报文通信模块和飞行动态评估模块。其中，多天线模块安装在武器外表面，其余模块安装在武器仪器舱内。各模块具体功能如下：
a)飞行动态评估模块，周期性获取武器的实时飞行参数；根据实时飞行参数，确定应切换的天线端口号，并输出天线端口号给天线切换模块；
b)飞行动态评估模块，根据实时飞行参数，实时计算多普勒频偏，并输出多普勒频偏给短报文通信模块；
c)天线切换模块，根据其接收到的天线端口号，控制多天线模块中相应天线上接收的信号输出给短报文通信模块；
d)短报文通信模块，根据接收到的多普勒频偏信息，对相应天线上接收的输出的信号进行频率补偿工作，完成信号的解调工作。
如附图2所示，一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，其飞行动态评估模块工作流程为：
a)周期性获取实时飞行参数，包括武器平台的经纬高坐标(LP，BP，HP)，以及偏航角(ψ)、俯仰角(θ)和滚转角
Figure BDA0001878134390000061
b)根据武器的经纬度，通过查询卫星坐标查找表，实时查出待通信的卫星号，并根据卫星号确定待通信的北斗卫星坐标(LQ，BQ，HQ)，其中，卫星坐标查找表示意结果如表1所示，卫星号与北斗卫星坐标关系如表2所示。
表1 卫星坐标查找表
70°E 75°E 80°E 85°E 90°E
55°N 1 1 1 4 4
50°N 1 1 3 4 4
45°N 2 2 3 4 4
40°N 2 2 3 5 5
35°N 2 2 5 5 5
表2 卫星号与北斗卫星坐标关系
卫星号 1 2 3 4 5
L<sub>Q</sub> 58.75°E 80°E 110.5°E 140°E 160°E
注：所有卫星的BQ＝0°，H＝35900km；
为防止武器在多颗卫星覆盖区交界处飞行时，出现待通信北斗卫星坐标频繁往返切换的问题，飞行动态评估模块采取迟滞切换的方案，即当武器从第一颗北斗卫星覆盖区飞入第二颗北斗卫星覆盖区时，需要对照卫星坐标查找表连续对坐标判别N次，只有当连续N次的结果均指示武器飞入第二颗北斗卫星覆盖区时，才将飞行动态评估模块的结果更新为第二颗北斗卫星的坐标，否则仍保持为第一颗北斗卫星的坐标；其中，N根据武器的飞行速度进行择优选择，当武器飞行速度小于5马赫时，N取值5；当武器飞行速度在5马赫至10马赫之间时，N取值10；当武器飞行速度大于10马赫时，N取值30。
c)将步骤(a)的实时飞行参数和步骤(b)北斗卫星坐标，由经纬高坐标系转换为地心地固坐标系，转换方法见公式1和公式2；
卫星坐标转换公式：
Figure BDA0001878134390000081
武器平台坐标转换公式：
Figure BDA0001878134390000082
上式中，RE为地球半径；
(XQE，YQE，ZQE)为卫星在地心地固坐标系中的坐标；
(XPE，YPE，ZPE)为武器平台在地心地固坐标系中的坐标；
d)根据地心地固坐标系下的实时飞行参数和北斗卫星坐标，计算武器通信方向指向矢量[XQE-XPE YQE-YPE ZQE-ZPE]T；
e)将通信方向指向矢量转换到武器载体坐标系；
不失一般性，本发明先将指向矢量由地心地固坐标系按公式3转换到东北天坐标系：
Figure BDA0001878134390000083
其中，各旋转矩阵，定义如下：
Figure BDA0001878134390000084
绕Z轴，X->Y为正
Figure BDA0001878134390000085
绕Y轴，X->Z为正
Figure BDA0001878134390000086
绕Z轴，X->Y为正
Figure BDA0001878134390000091
绕X轴，Y->Z为正
再将指向矢量由东北天坐标系按公式4转换到武器平台载体坐标系：
Figure BDA0001878134390000092
其中，由于本项目中姿态角为弹下点东北天坐标系到载体坐标系按(3-1-2) 转序确定，旋转矩阵
Figure BDA0001878134390000093
和
Figure BDA0001878134390000094
的定义如下：
Figure BDA0001878134390000095
绕Y轴，Z->X为正
Figure BDA0001878134390000096
绕X轴，Y->Z为正
Figure BDA0001878134390000097
绕Z轴，Y->X为正
f)根据武器载体坐标系下的通信方向指向矢量，判断指向矢量所在天线覆盖区，根据天线覆盖区判断出对应的天线，将该天线端口号输出给天线切换模块。具体方法如下：根据计算出的Yb和Zb坐标值，确定通信方向指向矢量能被哪副天线所在区域覆盖，并将相应的天线端口号输出给天线切换模块。不失一般性，假设某型号上在武器弹周方向等间隔布置三副天线。如附图3所示，某次计算结果显示通信方向指向矢量被天线1所在区域覆盖。
g)利用公式5实时计算武器平台与卫星之间的距离d，
Figure BDA0001878134390000098
h)假设某一时刻计算出的通信距离d(t)，前一次的计算结果为d(t-Δt)，两次结果之间的时间间隔为Δt，利用公式6计算多普勒频偏，并输出给短报文通信模块。
Figure BDA0001878134390000101
其中，f为工作频率，c为真空中光速；
i)重复上述步骤。
如附图4所示，所述的短报文通信模块，由下变频单元、本振单元、补偿单元和基带处理单元组成。其根据接收到的多普勒频偏信息，通过微调内部锁相环输出的本振频率，实现对接收信号进行频率补偿的功能。具体工作流程为：
a)在系统初始化时，补偿单元根据载波中心频率f计算本振单元所需的频率控制字W(f)；当武器与卫星之间相对运动产生多普勒效应时，补偿单元将飞行动态评估模块输出的多普勒频偏Δf与载波中心频率f相加，计算出补偿后的载波频率，并根据补偿后的载波频率，计算本振单元所需的频率控制字W(f+Δ f)；
b)本振单元根据补偿单元计算出的频率控制字，输出本振信号给下变频单元；
c)下变频单元将天线切换模块控制多天线模块中相应天线上接收的信号，与本振单元输出的本振信号进行混频、滤波，生成中频信号输出给基带处理单元；
d)基带处理单元对生成的中频信号进行解调，将解调结果输出。
本发明曾通过地面静态对星试验的方式，对相关原理进行验证。并通过跑车和挂飞试验的方式，对恶劣动态环境适应能力进行了初步验证。通过采用频偏补偿的方式，增强了系统对多普勒效应的适应性，使系统所能够适应的飞行速度由5马赫提高到20马赫，加速度由5g提升到30g。
本发明中的飞行动态评估模块，通过采取迟滞切换的方案，避免出现在多颗卫星覆盖区交界处飞行时，出现待通信北斗卫星坐标频繁往返切换的问题，飞行动态评估模块，在迟滞切换过程中采取根据武器的飞行速度进行择优选择判别次数的方案，增强了系统对不同飞行条件的适应能力，短报文通信模块，通过采用频偏补偿的方式，增强了系统对多普勒效应的适应性，使系统所能够适应的飞行速度由5马赫提高到20马赫，加速度由5g提升到30g。
，跟多通道同时接收技术相比，本发明的系统可大幅提高资源利用率，并降低系统成本，有利于产品的小型化、集成化设计。本发明提升了短报文数据链系统对飞行动态环境(如飞行过程中速度快导致的多普勒效应和飞行的距离远造成跨卫星覆盖区链路切换问题)的适应性。

Claims (9)

1.一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，其特征在于包括：多天线模块、天线切换模块、短报文通信模块和飞行动态评估模块，多天线模块、天线切换模块、短报文通信模块和飞行动态评估模块装在武器上；
飞行动态评估模块，根据武器的经纬度，通过查询卫星坐标查找表，实时确定待通信的北斗卫星坐标；飞行动态评估模块采取迟滞切换的方案，即当武器从第一颗北斗卫星覆盖区飞入第二颗北斗卫星覆盖区时，需要对照卫星坐标查找表连续对坐标判别N次，只有当连续N次的结果均指示武器飞入第二颗北斗卫星覆盖区时，才将飞行动态评估模块的结果更新为第二颗北斗卫星的坐标，否则仍保持为第一颗北斗卫星的坐标；其中，N根据武器的飞行速度进行择优选择，当武器飞行速度小于5马赫时，N取值5；当武器飞行速度在5马赫至10马赫之间时，N取值10；当武器飞行速度大于10马赫时，N取值30；
卫星坐标查找表
70°E 75°E 80°E 85°E 90°E 55°N 1 1 1 4 4 50°N 1 1 3 4 4 45°N 2 2 3 4 4 40°N 2 2 3 5 5 35°N 2 2 5 5 5
飞行动态评估模块，周期性获取武器的实时飞行参数；根据实时飞行参数，确定应切换的天线端口号，并输出天线端口号给天线切换模块；
飞行动态评估模块，根据实时飞行参数，实时计算多普勒频偏，并输出多普勒频偏给短报文通信模块；
天线切换模块，根据其接收到的天线端口号，控制多天线模块中相应天线上接收的信号输出给短报文通信模块；
短报文通信模块，根据接收到的多普勒频偏信息，对相应天线上接收的输出的信号进行频率补偿工作，完成信号的解调工作。
2.根据权利要求1所述的一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，其特征在于：飞行动态评估模块根据实时飞行参数，确定应切换的天线端口号，具体如下：
a)周期性获取实时飞行参数；
b)实时确定武器待通信的北斗卫星坐标；
c)将步骤(a)的实时飞行参数和步骤(b)北斗卫星坐标，由经纬高坐标系转换为地心地固坐标系；
d)根据地心地固坐标系下的实时飞行参数和北斗卫星坐标，计算武器通信方向指向矢量；
e)将通信方向指向矢量转换到武器载体坐标系；
f)根据武器载体坐标系下的通信方向指向矢量，判断指向矢量所在天线覆盖区，根据天线覆盖区判断出对应的天线，将该天线端口号输出给天线切换模块。
3.根据权利要求1所述的一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，其特征在于：飞行动态评估模块，根据实时飞行参数，实时计算多普勒频偏，具体如下：
a)计算武器与待通信的卫星之间的距离；
b)根据计算出的武器与待通信的卫星之间的距离，计算多普勒频偏，并输出给短报文通信模块。
4.根据权利要求1所述的一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，其特征在于：所述的短报文通信模块，由下变频单元、本振单元、补偿单元和基带处理单元组成；
补偿单元计算本振单元所需的频率控制字，然后补偿单元输出本振信号给下变频单元，下变频单元将天线切换模块控制多天线模块中相应天线上接收的信号，结合本振信号生成中频信号输出给基带处理单元；基带处理单元对生成的中频信号进行解调，将解调结果输出。
5.根据权利要求1所述的一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，其特征在于：实时飞行参数，包括：武器坐标和北斗卫星坐标。
6.根据权利要求1所述的一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，其特征在于：武器通信方向是指：武器指向待通信的卫星的连线方向。
7.根据权利要求1所述的一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，其特征在于：武器载体坐标系，原点为武器载体质心，X轴正方向为武器飞行方向，Y轴正方向指向武器天顶方向，右手定则确定Z轴。
8.根据权利要求1所述的一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，其特征在于：多天线模块包括多个天线，每个天线有一个端口号，优选射频微带天线。
9.根据权利要求1所述的一种适用于恶劣飞行动态环境的北斗短报文武器数据链系统，其特征在于：适用于恶劣飞行动态环境，是指飞行过程中速度快导致的多普勒效应和飞行的距离远造成跨卫星覆盖区链路切换问题。
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