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通信技术在智能弹药中的应用
摘要:现代战争中精确化、智能化弹药的使用不仅直接关系到战争的胜败,而且还可以有效降低平民的伤亡率,弹道修正弹就是其中的典型代表。全文紧紧围绕一维弹道修正弹展开,研究工作主要体现在:对无线通信系统的原理样机进行设计,研究了通信频率、通信协议及数据加密等技术方案,详细介绍了发射与接收天线、发射机与接收机的器件选型与硬件电路设计。
关键词:一维弹道修正弹,通信系统
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前言
20世纪以来,微电子技术的发展突飞猛进,机械、电子等领域逐渐向微型化、精确化发展。面对现代战争形势的不断转型,军事领域也不断应用微电子技术来提高武器的精确打击能力。如何实现弹药精确打击弹药成为各国军界的共识。一直以来,导弹被公认为最精确的弹药,但是导弹造价昂贵,不利于大量装备为满足战争的需求,具有一定修正能力的低成本弹道修正弹便应运而生。
弹道修正弹是由美国在20世纪70年代末提出的。其基本原理是:通过测量外弹道诸元的某一个或几个参数实时数值,得到弹丸实际弹道,并与预装定的理想弹道比较,计算出两者的偏差,根据偏差的大小形成控制指令,把指令传给弹上执行机构,执行机构能够以连续或脉冲方式提供修正力或力矩,弹丸能够对弹道进行有限次数的修正,减小弹着点的偏差
弹道修正的通信技术
所谓调制,就是将基带信号变换成适合信道传输特性传输的频带信号。它是利用基带信号去控制载波信号的某一参数,让该参数随基带信号的大小而线性变化的处理过程。通常又将基带信号称为调制信号,将高频振荡信号称为载波信号,将经过调制后
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的高频振荡信号称为已调信号或已调波。在接收端,必须将信道送来的已调信号再变换成基带信号,这一变换过程称为解调数字。
调制技术有三种基本形式:数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。由于数字信息只有离散的有限种取值,相应地调制后的载波参量也只有离散的有限种取值,而且正由于数字信息的离散性特点,数字调制可用更为简便的键控方法来实现,故通常称数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制分别为振幅键控(ASK)、频率键控(FSK)和相位键控(PSK)。
差错控制编码是为了减少差错而进行的编码。采用这类编码后,增加了码元之间的相互关联,在接收端根据相应的译码规则,就能够查觉传输中有无误码,甚至能自动纠正误码。常用的差错控制编码有奇偶校验码、汉明(Hamming)码和循环冗余校验码(CyclingRedundancyCheck,CRC)
所谓抗干扰,就是采取各种技术措施,在各种干扰的条件下还能保证通信正常工作。常采用的抗干扰措施:
常采用的抗干扰措施有频率捷变、实时频率自适应跳变、快速传输(突变通信)等。
频率捷变主要是针对通信干扰中的阻塞和瞄准式干扰的。例如阻塞式干扰,它主要是对某一频率范围实施强干扰,把这一频段内的通信信号淹没在干扰的噪声之中,使这一频段范围内无法
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实施通信。如果这时能快速变换通信频率(频率捷变)而跳出这一干扰范围,且能快速传递信息实施通信,即使被对方侦察到,但在再次受到干扰前可能已经完成通信。
实时频率自适应跳变技术通过自适应算法,在进行跳频通信过程中自动探测和删除受干扰的频点,使系统在无干扰或弱干扰频点上跳变,提高通信系统的抗阻塞干扰能力。
突变通信是一种时域抗干扰、低截获概率通信的好方式。它利用宽的频带,在一个随机的短时间内突发信息,短暂的发射时间加上随机性,使敌方的检测十分困难,尤其当所用的频率快速变换时更是如此。
新的抗干扰通信体制和系统不但能在杂乱噪声、干扰中检测出信息,而且能够在敌人的欺骗式干扰中辨别真伪。这些新的体制和系统包括:
⑴高速短波异步DFH(差分跳频)系统。它利用前后频率的相关性来携带信息,跳速可达5000跳每秒。DFH以高跳速带来高数据速率,同时高跳速还可以极大地提高抗跟踪干扰和多径干扰的能力
⑵毫米波噪声通信系统。其丰富的频带资源提供了抗干扰、抗截获的有效途径,并可获得极高的抗干扰增益。
⑶隐蔽式紫外光通信系统。它适用于多种近距离抗干扰通信的场合。要干扰强紫外光散射,目前还是不可能的。当保持无
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线电寂静时,紫外光通信可用来提供舰船之间的近距离通信
⑷扩展频谱通信系统。扩频系统具有低截获概率特性,高时间分辨率,抗干扰能力强。由于扩频系统采用的伪随机序列周期很长,且复杂度较高时,敌方难以识别扩频信号的有关参数,信息不易被破译和截获,所以说扩频技术具有天然的信息保密特性。
通信方案研究
原理样机通信频率为315MHz。通信频率选择的主要因素:①通信天线电波必须能覆盖到弹体前端;②保证通信距离;③器件模块易选取;④成本低,技术成熟。
315MHz属于超短波(分米波)波段。超短波传播特点是:沿直线传播,一般在视线距离以内。超短波会受到大气层的折射、散射,遇到金属会产生强烈的反射,遇到较大的障碍物也会有相当程度的反射。由于超短波频率比较高,所以能容纳的信道比较多;受到干扰很小。
系统采用OOK(on-off)调制即开关调制。OOK调制功耗极低,当数据信号停止时发射电流降为零。OOK调制是满幅度的ASK调制,载波在二进制调制信号控制下通断。在信噪比大于15dB的情况下,OOK调制的误码率小于10-4,可以满足系统对误码率的要求。图
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3-1给出了OOK调制原理框图
图3-1OOK调制原理图
通信协议设计是否合理,直接关系到通信系统的可靠性和稳定性。经过反复的验证,系统采用图3-2所示的数据帧通信结构,力求在通信可靠性与处理时间之间达到平衡。
图3-2数据帧结构
根据通信理论,数据包越小,传输就越可靠。系统数据打包时,每个数据包包含一个16bit的有效数据,数据帧由1bit的起始位开始,包括两个字节(16bit)的信息码,与两个字节(16bit)的CRC校验码。接收方根据通信协议判定接收到的信号是否正确。
为提高稳定性,在对bit0、bit1编码时,没有采用双极码(即bit0为低电平,bit1为高电平,当长时间发0或1时,极容易导致误码),而是通过高低电平合适的组合来区分0和1。图3-3给出了码元结构图。
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图3-3码元结构图
通信中以6ms高电平,,以1ms高电平,,以2ms高电平,。其脉冲宽度是在调试时反复调整以达到最好的抗干扰性。
在无线通讯过程中,数据以电磁波形式进行传输。由于传输空间中的电磁噪声干扰,通信中发出数据与接收数据时常不一致,产生差错。为保证通信系统的可靠性,首先要采用一种差错检测技术检测数据传输过程中的错误,然后加以纠正或重新读取信息。
为防所发指令被敌方所获,系统对数据进行了加密处理。由于处理器资源与运算速度有限,选取了运算量小的分组代替密码,即发送与接收双方约定密码表,发送方将信息码分为四组,对每一组数据进行查表,以表中的数据代替原始数据,然后再组合为一个数据发送;接收方以同样的方式查表解密。数据加密方式如图
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3-4所示。
图3-4数据加密方式图
弹道修正弹的修正指令是以计算实际弹道与预设的理想弹道之间的偏差为基础的。系统弹道测量、计算都是由地面系统完成,生成的指令通过串行接口传输至发射装置。
结束语
一维遥控式弹道修正弹是一种低成本高精度炮射弹药。通过地面火控中心发射修正指令来控制弹上的修正机构在规定的时间展开来改变弹丸的飞行轨迹,实现对目标高精度打击。
本文在总结以往智能弹药通信技术的同时进行了研究与创新,提出了智能弹药中的无线通信的方案,若有不足之处还望指正。
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参考文献
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