一种湖上靶船脱靶量测量系统

摘要

一种湖上靶船脱靶量测量系统，包括至少大于三套结构相同的浮标分系统，每套浮标分系统包括GPS天线等；GPS天线获取浮标分系统的经纬度、高度、时间发送至水密箱，电台天线接收GPS差分信号发送至水密箱；水听器采集水声信号，实时发送至水密箱；铅鱼与水听器连接，使水听器保持垂直状态，锚系单元用于固定浮标分系统；水密箱安装在浮箱上，使得水密箱浮在水面上；水密箱对发送的浮标分系统的经纬度、高度、时间信息、GPS差分信号、水声信号进行提取，转换为与时间信息相对应的水声信息和位置信息并储存。本发明能够实现浮标分系统的数据融合、自定位与数据存储，经离线处理后可测量湖上动态靶船的脱靶量信息。

说明书

技术领域

本发明涉及长基线水声被动定位测量领域，尤其涉及一种低成本湖上靶船脱靶量测量系统。

背景技术

靶场试验中，脱靶量是衡量导弹或武器射击精度与性能的重要指标，是指弹未击中目标时距离目标的相对距离与角度量，它也是衡量弹对目标毁伤能力的重要指标。目前，对脱靶量测量的主要方法有：无线电法、光学法、视频监控法、空气声、水声法等，但前几种方法受杂波、雾、风等因素的影响较大，而水声法不会受这些因素的干扰，因此水声测量方法具有自己独特的优势。相比于陆地靶场，湖上的脱靶量测量难度更大，它受风浪因素、天气因素、湖水中的多径效应等影响，对测量设备的可靠性以及测量精度都提出了很高的要求。

在脱靶量水声测量技术中，根据基线的不同长度，又可分为超短基线测量技术、短基线测量技术和长基线测量技术。其中超短基线测量技术和短基线测量技术对设备的相对安装位置精度要求较高，且需要做大量的校准工作，而长基线测量技术对此要求较低，因此在湖上这种较大范围内测量中，长基线水声测量技术也成为了脱靶量测量中的首选技术。长基线测量系统需要将3个以上的阵元即浮标布设在几百米或上公里的范围内，以形成覆盖测量区域的阵型，进而接收弹入水时的信号。

目前，国内现有的水声定位测量系统结构、硬件系统设计复杂且成本较高，已实现的短基线测量系统只能针对水中静态的靶船进行测量，不能对动态的靶船进行测量，不满足系统的实际使用需求。针对此现象以及湖上水深较浅等工况特点，面向湖上靶船脱靶量测量的任务需求，实现低成本、结构简单、性能稳定、测量精度高、测量动态靶船的指标要求，急需设计一种新的低成本湖上靶船脱靶量测量系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有短基线脱靶量测量技术的不足，提供了一种湖上靶船脱靶量测量系统，该系统布放回收难度低、结构简单、成本低、测量精度高，能够实现单套浮标分系统的数据融合与自定位、数据存储、离线处理的可测量湖上动态靶船的脱靶量信息。

本发明所采用的技术方案是：一种湖上靶船脱靶量测量系统，包括至少大于三套结构相同的浮标分系统，每套浮标分系统包括GPS天线、电台天线、水密箱、浮箱、水听器、铅鱼、锚系单元；GPS天线获取浮标分系统的经纬度、高度、时间发送至水密箱，电台天线接收GPS差分信号发送至水密箱；水听器采集水声信号，实时发送至水密箱；铅鱼与水听器连接，使水听器保持垂直状态，水听器位于GPS天线的中心轴线上且位于GPS天线正下方，锚系单元用于固定浮标分系统；水密箱安装在浮箱上，使得水密箱浮在水面上；水密箱对发送的浮标分系统的经纬度、高度、时间信息、GPS差分信号、水声信号进行提取，转换为与时间信息相对应的水声信息和位置信息并储存。

所述GPS天线和电台天线分别固定在水密箱的外部上方，GPS天线和电台天线分别连接在GPS接收机上的两个BNC接口上。

所述水密箱包括固定在水密箱里面的GPS接收机、数据融合板、电池组、DCDC转换器，GPS接收机与数据融合板的电源接口分别通过DCDC转换器连接在电池组上，电池组给GPS接收机与数据融合板供电；GPS接收机接收GPS天线发送的经纬度、高度、时间信息、电台天线发送的GPS差分信号，利用GPS差分信号对经纬度、高度信息进行校准后，将校准后的经纬度、高度信息、pps秒脉冲信息、时间信息发送至数据融合板；数据融合板通过串口与GPS接收机相连接，数据融合板将水听器发送的水声信号、GPS接收机发送的经纬度、高度、pps秒脉冲、时间信息、GPS差分信号转换为与时间信息相对应的水声信息和位置信息并储存。

所述数据融合板包括双通道A/D变换器、DSP处理器、SD存储卡，双通道A/D变换器的输出端与DSP处理器互连，SD存储卡分别与DSP处理器互连；双通道A/D变换器对水声信号进行模数转换，转换为数字信号后发送至DSP处理器，DSP处理器通过串口接收GPS接收机发送的实时数据，实时数据中包括经纬度、高度、pps秒脉冲、时间信息、GPS差分信号，DSP处理器搭载了数据融合程序，数据融合程序按如下步骤运行：

步骤一、完成浮标子系统初始化，启动SYS/BIOS，包括：GPS接收机、A/D变换器、SD存储卡的使能参数配置、中断参数配置，构成线程任务：任务1、任务2和硬件线程中断：中断1、中断2、中断3；

步骤二、任务1发布信号量sem_task，开始将A/D变换器采集的水声信息放入缓存；

步骤三、当pps秒脉冲来到时，中断1置位标志flag_pps；

步骤四、当串口采集完一条GPS信息时，中断2置位标志flag_uart；

步骤五、当浮标子系统开机后，每隔一个设定的采用周期，产生一次中断3，进而控制A/D变换器的采样率，触发A/D采样器采集，读取A/D转换结果，将A/D转换数据放入缓存；

步骤六、当检测到flag_pps或flag_uart时，将pps秒脉冲或GPS信息放入缓存，中断3执行1～5秒后，发布信号量sem_SD，切换到任务2；

步骤七、任务2发布信号量sem_main，将与时间信息相对应的水声信息和位置信息写入SD存储卡中，完成一个与时间信息相对应的水声信息和位置信息数据包的存储；

步骤八、重复步骤一至步骤七，完成下一个数据包的存储，直至浮标子系统的采集任务结束。

所述浮箱包括两个浮体、连接横梁、浮箱连接孔，连接横梁将两个浮体相连，水密箱通过不锈钢螺丝与连接横梁上的安装孔相连接，水密箱位于连接横梁上方。

所述水听器通过水密线缆固定在水密箱底部正下方，水听器的输出端与双通道A/D变换器的输入端连接，铅鱼通过软绳与水听器相连接。

所述锚系单元包括凯夫拉绳、水泥锚块，凯夫拉绳的两端分别是螺扣挂钩和螺扣挂钩，螺扣挂钩与浮箱连接孔互连，螺扣挂钩与水泥锚块互连。

所述水密箱使用密封胶圈对箱盖进行密封。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明的系统面向湖上靶船脱靶量测量任务需求，提出长基线水声被动测量方案，代替已有短基线测量方案，进而实现了对动态靶船的测量，提高了弹落区有效测量区域范围；

2、本发明在硬件电路方面：采用数据融合板与GPS接收机作为主要硬件，省去传统浮标中的声学板、转换板等硬件，简化了硬件系统的冗余设计，提高了信号测量精度，降低了硬件成本；

3、本发明在结构方面：提出了一种浮箱承载水密箱的上下堆积结构，该结构简单可靠，锚系单元易于安装布放，降低了工程应用难度，同时水密箱可以防雨林和浪的飞溅；

4、本发明在数据处理方面：将浮标分系统所采集的GPS信息、水声信息与时间信息融合在一起，形成有效数据包，通过调用落点时刻点就会获取该时刻对应的水声信息和浮标分系统位置信息，经离线处理即可解算脱靶量信息；本发明的系统具有自定位功能、浮标分系统阵无需自校阵，降低工程了实施难度。

附图说明

图1是本发明湖上靶船脱靶量测量系统总体结构示意图；

图2是本发明单套浮标分系统整体外观侧视图；

图3是本发明单套浮标分系统整体外观俯视图；

图4是本发明单套浮标分系统水密箱内部结构框图；

图5是本发明单套浮标分系统数据融合板结构框图；

图6是数据融合程序算法流程图；

图7是本发明实施方案现场示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明：

图1为本发明湖上靶船脱靶量测量系统总体结构示意图，可以看出系统是包括四套相同的浮标分系统，其中每套浮标分系统包括GPS天线1、电台天线2、水密箱3、浮箱4、水听器5、铅鱼6、锚系单元7。当系统开始执行任务时，用拖船将浮标分系统拖至事先指定的弹落点区域，将锚系单元7中的锚块下放至水中，让四套浮标分系统布放成正方形阵，已形成边长大于几百米的长基线阵，如图7所示，再对各浮标分系统进行手动上电，等待打靶任务的开始。

GPS天线1和电台天线2分别固定在水密箱3的外部上方，GPS天线1和电台天线2分别连接在GPS接收机8上的两个BNC接口上；

如图2、图3所示，从单套浮标分系统的整体外观侧视图与俯视图可以看出，浮标分系统采用自上而下的堆积结构，主要包括浮在水面上的两个浮体19通过连接横梁20将水密箱3托举在水面以上，连接铅鱼6的水听器5吊放在水密箱的正下方，使得水听器5位于GPS天线1的中心轴线上且位于GPS天线1正下方，以便于获取准确的浮标分系统位置信息，GPS天线1与电台天线2固定在水密箱的正上方，锚系单元7将整个浮标分系统固定在各自的区域位置上。

图4为本发明单套浮标分系统水密箱内部结构框图，水密箱3包括固定在水密箱3里面的GPS接收机8、数据融合板9、电池组10、DCDC转换器11，GPS接收机8与数据融合板9的电源接口分别通过DCDC转换器11连接在电池组10上，当系统上电后DCDC转换器11分别输出12V和5V的电压，给GPS接收机8与数据融合板9供电；任务开始后，GPS接收机8接收GPS天线1发送的经纬度、高度、时间信息、电台天线2发送的GPS差分信号，利用GPS差分信号对经纬度、高度信息进行校准后，将校准后的经纬度、高度信息、pps秒脉冲信息、时间信息发送至数据融合板9；数据融合板9通过串口与GPS接收机8相连接，数据融合板9将水听器5发送的水声信号、GPS接收机8发送的经纬度、高度、pps秒脉冲、时间信息、GPS差分信号转换为与时间信息相对应的水声信息和位置信息并储存。

图5为本发明单套浮标分系统数据融合板结构框图，数据融合板9包括双通道A/D变换器12、DSP处理器13、SD存储卡15，双通道A/D变换器12的输出端与DSP处理器13互连，SD存储卡15分别与DSP处理器13互连；双通道A/D变换器12对水声信号进行模数转换，转换为数字信号后发送至DSP处理器13，DSP处理器13通过串口接收GPS接收机8发送的实时数据，实时数据中包括经纬度、高度、pps秒脉冲、时间信息、GPS差分信号，DSP处理器13搭载了数据融合程序，经数据融合程序处理后每套浮标分系统的SD存储卡15中会存入若干个与时间信息相对应的水声信息和位置信息数据包。

图6为数据融合程序算法流程图，数据融合程序按如下步骤运行：

步骤一、各浮标分系统上电后，完成系统初始化，启动SYS/BIOS，主要包括：外设(GPS接收机8、A/D变换器12、SD存储卡15)的使能参数配置、中断参数配置，以构成线程任务：任务1、任务2和硬件线程中断：中断1、中断2、中断3两种线程；

步骤二、任务1发布信号量sem_task，开始将A/D变换器12采集的数据水声信息放入缓存；

步骤三、当pps秒脉冲来到时，中断1置位标志flag_pps；

步骤四、当串口采集完一条GPS信息(经纬度、高度、时间)时，中断2置位标志flag_uart；

步骤五、当浮标子系统开机后，每隔20μs(浮标子系统采样率50K)，产生一次中断3，进而控制A/D变换器12的采样率，触发A/D采样器12采集，读取A/D转换结果，将A/D转换数据放入缓存；

步骤六、当检测到flag_pps或flag_uart时，将pps秒脉冲或GPS信息放入缓存，中断3执行1秒后，发布信号量sem_SD，切换到任务2；

步骤七、任务2发布信号量sem_main，将与时间信息相对应的水声信息和位置信息写入SD存储卡15，此时SD存储卡15完成一个与时间信息相对应的水声信息和位置信息数据包的存储；

步骤八、重复步骤一至步骤七，以完成下一个数据包的存储，直至系统任务结束。

经上述八个步骤后，每套浮标分系统的SD存储卡15中会存入若干个与时间信息相对应的水声信息和位置信息数据包，即每一个时刻点都会对应不同的水声信息和浮标分系统位置信息，以获得打靶时间段内的有效数据。

浮箱4包括两个浮体19、连接横梁20、浮箱连接孔21，连接横梁20将两个浮体19相连，水密箱3通过不锈钢螺丝与连接横梁20上的安装孔相连接，水密箱3位于连接横梁20上方；

水听器5通过水密线缆固定在水密箱3底部正下方，水听器5的输出端与双通道A/D变换器12的输入端连接，铅鱼6通过软绳与水听器5相连接；

锚系单元7包括凯夫拉绳22、水泥锚块23，凯夫拉绳22的两端分别是螺扣挂钩24和螺扣挂钩25，螺扣挂钩24与浮箱连接孔21互连，螺扣挂钩25与水泥锚块23互连。

水密箱3使用密封胶圈对箱盖进行密封。

图7为本发明实施方案现场示意图，当靶船航行通过浮标分系统阵时，弹会打击靶船，当弹未击中靶船时，就会产生击水的水声信号，水声信号被各浮标分系统接收，当打靶试验结束后，取回SD卡并进行数据分析以解算出落点以及脱靶量信息。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。