馬 林

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院士官學(xué)校 沈陽(yáng) 110867）

1 引言

某型炮兵氣象雷達(dá)是一種測(cè)量大氣溫度、氣壓、濕度和風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素的野戰(zhàn)機(jī)動(dòng)式氣象探測(cè)裝備。它通過(guò)被動(dòng)接收無(wú)線(xiàn)電探空儀發(fā)出的探空信號(hào)實(shí)施探測(cè)，具有電磁隱蔽性好、保障能力強(qiáng)、探測(cè)高度高等優(yōu)點(diǎn)［1］。由于是機(jī)動(dòng)式裝備，所以占領(lǐng)新的探測(cè)陣地后，必須對(duì)雷達(dá)的方位角和仰角重新進(jìn)行標(biāo)校才能校正角度測(cè)量基準(zhǔn)，保證角度測(cè)量的準(zhǔn)確性。雷達(dá)標(biāo)校方法主要有光學(xué)標(biāo)校法和有源標(biāo)校法［2］，雖然雷達(dá)在野戰(zhàn)條件下可采用共同點(diǎn)法、反覘法［3-4］和北極星法等光學(xué)標(biāo)校方法，但是受野戰(zhàn)條件限制，實(shí)施起來(lái)非常困難，難以保證測(cè)角精度。共同點(diǎn)法標(biāo)校時(shí)需要利用雷達(dá)天線(xiàn)上的光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡和光學(xué)經(jīng)緯儀瞄向同一標(biāo)校物，但是野戰(zhàn)條件下很難找到適合的標(biāo)校物，并且夜間無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)校。反覘法標(biāo)校時(shí)需要利用雷達(dá)天線(xiàn)上的光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡和光學(xué)經(jīng)緯儀互瞄，這種方法存在標(biāo)校距離短，精度難以保證、夜間標(biāo)校難度大、無(wú)法進(jìn)行仰角標(biāo)校等問(wèn)題。北極星法標(biāo)校時(shí)需要利用雷達(dá)天線(xiàn)上的光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡瞄準(zhǔn)北極星，這種方法只能在晴空的夜間進(jìn)行，受天氣影響大。

鑒于以上問(wèn)題，利用北斗差分定位、多重調(diào)制和單片機(jī)等技術(shù)，設(shè)計(jì)一種野戰(zhàn)標(biāo)校系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)炮兵氣象雷達(dá)全天候野戰(zhàn)條件下的準(zhǔn)確標(biāo)校具有重要作用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)校原理

某型炮兵氣象雷達(dá)野戰(zhàn)標(biāo)校系統(tǒng)的工作原理是:首先利用標(biāo)校系統(tǒng)的北斗模塊測(cè)量獲取雷達(dá)天線(xiàn)方位和俯仰軸線(xiàn)交點(diǎn)大地坐標(biāo)，然后利用系留探空氣球或其他方式將標(biāo)校系統(tǒng)置于標(biāo)定點(diǎn)。氣象雷達(dá)自動(dòng)跟蹤標(biāo)校系統(tǒng)發(fā)出的包含標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)信息的高頻電磁波，使雷達(dá)天線(xiàn)電軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定點(diǎn)。標(biāo)校軟件將雷達(dá)接收到的標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)變換為以雷達(dá)天線(xiàn)方位和俯仰軸線(xiàn)交點(diǎn)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，然后根據(jù)兩點(diǎn)的直角坐標(biāo)計(jì)算雷達(dá)天線(xiàn)電軸指向標(biāo)定點(diǎn)的準(zhǔn)確方位角和仰角，與雷達(dá)方位角和仰角的測(cè)量值進(jìn)行比較后得到系統(tǒng)誤差。最后將得到的方位角和仰角的系統(tǒng)誤差錄入雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成標(biāo)校工作。

2.2 系統(tǒng)組成

某型炮兵氣象雷達(dá)野戰(zhàn)標(biāo)校系統(tǒng)主要硬件和軟件兩大部分組成，其中硬件由主控模塊、北斗模塊、信號(hào)生成模塊、通信接口模塊和電源等組成，軟件主要包括標(biāo)校軟件。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

北斗模塊主要用于接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)定位和精準(zhǔn)授時(shí)。主控模塊系統(tǒng)硬件的核心，主要對(duì)北斗模塊發(fā)送來(lái)的坐標(biāo)和時(shí)間進(jìn)行采集、編碼和通信管理，實(shí)現(xiàn)副載波的產(chǎn)生和系統(tǒng)時(shí)序控制。信號(hào)生成模塊主要用于產(chǎn)生某型炮兵氣象雷達(dá)能夠接收并解碼的包含坐標(biāo)和時(shí)間等信息的特定頻率的信號(hào)。通信接口模塊采用串口通信協(xié)議，主要用于程序下載和向PC 機(jī)發(fā)送坐標(biāo)數(shù)據(jù)。電源主要完成整個(gè)硬件系統(tǒng)的供電。標(biāo)校軟件運(yùn)行在氣象雷達(dá)的PC 機(jī)上，主要用于計(jì)算雷達(dá)天線(xiàn)電軸指向標(biāo)定點(diǎn)的準(zhǔn)確方位角和仰角，與雷達(dá)測(cè)量角度值比較得出方位角和仰角校準(zhǔn)值。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊主要由ARM微控制器、外部FLASH、晶振電路、穩(wěn)壓電路和復(fù)位電路等組成。ARM 選用意法半導(dǎo)體公司出品的32 位微控制器STM32F103RCT6，該微控制器基于ARM Cortex-M內(nèi)核，時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz［5］。除具有豐富的接口之外［6～7］，還內(nèi)置低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、RC 振蕩器等，具有很高的集成度。主控模塊外部FLASH 選用W25X16芯片，與微控制器的SPI接口PA4～PA7實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。雖然微控制器內(nèi)部包含了8MHz的振蕩器，但是為了保證系統(tǒng)時(shí)鐘更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定，在微控制器的OSC32IN 和OSC32OUT引腳接入32.768kHz 晶振作為外部低速時(shí)鐘信號(hào)，在OSCIN和OSCOUT引腳接入8MHz晶振作為外部高速時(shí)鐘輸入信號(hào)。由于微控制器的供電要求為2.0V～3.6V，穩(wěn)壓電路選用輸出電壓為3.3V 的AMS1117作為調(diào)壓芯片［8］，并在其電源輸出端連接10μF 的電容，在微控制器的電源和地之間設(shè)置兩個(gè)電容進(jìn)行濾波。主控模塊框圖如圖2所示。

圖2 主控模塊框圖

3.2 信號(hào)生成模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)生成模塊主要通過(guò)信號(hào)調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)副載波和二進(jìn)制代碼調(diào)制，通過(guò)功率放大電路實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)調(diào)制和放大。微控制器將編碼后的二進(jìn)制坐標(biāo)代碼和定時(shí)器分頻得到的副載波方波送入以74LS08 與門(mén)為核心的調(diào)制電路。當(dāng)二進(jìn)制坐標(biāo)代碼為正半周期時(shí)，受副載波調(diào)制形成周期變化方波；當(dāng)二進(jìn)制坐標(biāo)代碼為負(fù)半周期時(shí)，與門(mén)輸出恒定負(fù)電壓。經(jīng)過(guò)調(diào)制電路調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)送入功率放大電路，通過(guò)改變晶體管的偏置電壓實(shí)現(xiàn)載波的調(diào)制和功率放大。當(dāng)數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)，輸出頻率為f1，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)，輸出頻率為f0，從而使碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻兩個(gè)載波相位能夠保持連續(xù)。

3.3 通信接口模塊設(shè)計(jì)

通信接口模塊選用了CH340G 芯片作為USB轉(zhuǎn)串口芯片。CH340G 正常工作時(shí)需要外部向其XI 引腳提供12MHz 的時(shí)鐘信號(hào)［9～10］。雖然時(shí)鐘信號(hào)可以由CH340G 內(nèi)置的反相器通過(guò)晶體穩(wěn)頻振蕩產(chǎn)生，但是為了確保信號(hào)穩(wěn)定可靠，在XI 和XO引腳之間連接一個(gè)12MHz 的晶振，并且分別為XI和XO 引腳設(shè)計(jì)了對(duì)地連接振蕩電容。CH340G 的5、6引腳分別接USB接口的D+和D-接口，2、3引腳分別接微控制器的USART 接口，通過(guò)CH340 的轉(zhuǎn)換作用實(shí)現(xiàn)串口和USB接口間的數(shù)據(jù)傳輸。

4 標(biāo)校軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件流程

標(biāo)校軟件的流程如圖3所示。

圖3 標(biāo)校軟件流程

標(biāo)校軟件啟動(dòng)后，通過(guò)野戰(zhàn)標(biāo)校系統(tǒng)的通信接口讀取測(cè)量獲得的天線(xiàn)方位和俯仰軸線(xiàn)交點(diǎn)大地坐標(biāo)，并對(duì)雷達(dá)PC 機(jī)進(jìn)行授時(shí)。野戰(zhàn)標(biāo)校系統(tǒng)置于標(biāo)定點(diǎn)，且雷達(dá)自動(dòng)跟蹤后，實(shí)時(shí)接收標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的同時(shí)觸發(fā)采集雷達(dá)角度數(shù)據(jù)，通過(guò)坐標(biāo)變換和校準(zhǔn)值計(jì)算得到該組數(shù)據(jù)的角度差。經(jīng)過(guò)多組數(shù)據(jù)計(jì)算后，對(duì)角度差進(jìn)行算數(shù)平均得到雷達(dá)方位角和仰角的系統(tǒng)誤差。

4.2 坐標(biāo)變換方法

氣象雷達(dá)采用左手站心直角坐標(biāo)系，其原點(diǎn)o為天線(xiàn)方位和俯仰軸線(xiàn)交點(diǎn)，x軸指向坐標(biāo)北，y軸指向坐標(biāo)東，z軸與橢球法線(xiàn)向重合，指向天頂，如圖4所示。

圖4 站心直角坐標(biāo)系

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，首先將大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為地心空間直角坐標(biāo)系。其轉(zhuǎn)換公式為

式中Bi，Li和Hi為大地坐標(biāo)系中i點(diǎn)的緯度、經(jīng)度和高程，Ni為過(guò)i 點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑，e2為第一偏心率平方，在CGCS2000 坐標(biāo)系中，e2=0.006694380022900788［11］。

轉(zhuǎn)換為地心空間直角坐標(biāo)系后，利用布爾沙坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型［12～13］將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為右手站心直角坐標(biāo)系，最后將x軸取負(fù)得到轉(zhuǎn)換公式為

式中B0，L0和H0分別為雷達(dá)天線(xiàn)方位和俯仰軸線(xiàn)交點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的緯度、經(jīng)度和高程坐標(biāo)。

4.3 校準(zhǔn)值計(jì)算方法

利用標(biāo)定點(diǎn)在站心直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可以得到雷達(dá)電軸準(zhǔn)確的方位角和仰角。

方位角計(jì)算公式為

仰角計(jì)算公式為

雷達(dá)電軸準(zhǔn)確的方位角、仰角和雷達(dá)測(cè)量的方位角、仰角分別作差可得到標(biāo)校值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了某型炮兵氣象雷達(dá)標(biāo)校系統(tǒng)的標(biāo)校原理和系統(tǒng)組成，分別就系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體介紹。該系統(tǒng)可有效解決目前野戰(zhàn)標(biāo)定方法存在的標(biāo)校點(diǎn)少、夜間標(biāo)校難度大、精度低等問(wèn)題，對(duì)提高某型炮兵氣象雷達(dá)全天候標(biāo)定能力具有重要意義。