适用于精确制导炸弹武器系统的便携式导航仪设计

科技论坛　・ｌ２５・　适用于精确制导炸弹武器系统的便携式导航仪设计　魏志刚庄喜盈　（中国空空导弹研究院，河南洛阳４７１００９）　摘要：精确制导炸弹是现代战争中大量使用的空地武器，本文设计了一种便携式导航仪，以辅助飞机航电系统完成对制导炸弹的　投放控制，快速实现武器在飞机上的挂装。解决了坐标转换、视图缩放、航路引导、攻击区解算等关键技术，在ｖ　ａｌ　ｓｔｕｄｉｏ　２００５环境下　用ｃ＋＋语言实现了导航软件，用ＧＰＳ模拟器对导航仪进行了仿真验证，结果表明：导航仪给出的引导信息准确，工作稳定可靠　关键词：坐标转换；航路引导；多线程；导航仪　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ　ｇｕｉｄｅｄ　ｂｏｍｂ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｐｌｅｎｔｙ　ｕｓｅｄ　ａｉｒ－ｔｏ—ｇｒｏｕｎｄ　ｗｅａｐｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｌｏｄｅｒｎ　ｗａｒＴｉｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ｎａｖｉｇａ—　．ｔｏｒ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｌｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｓｓｉｓｔ　ｔｈｅ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ａｖｉｏｎｉｃｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｒｅｌｅａｓｅ　（　（）ｌ１ｔｒ０ｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｕｉｄｅ（１一　ｂｏｍｂ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｗｅａｐｏｎｓ　ｏｎ　ａｉｒｃｒａｆｔｓ　ｍｏｒｅ　ｅａｓｉｌｙ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ，１　ｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｔｒａｎｓｆ１）ｒｍａｔｉｏｎ．　ｔｈｅ　ｖｉｅｗ　ｚｏｏｍｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃｏｕｒｓｅ　ｇｕｉｄａｎｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｔｔａｃｋ　ｚｏｎｅ　ｃ，ａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｒｅｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ＵＳｉｎｇ　Ｃ＋＋ｕｎ－　ｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｖｉｓｕａｌ　Ｓｔｕｄｉｏ　２００５．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎａｖｉｇａｔｏｒ　ａｒｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ＧＰＳ　ｓｉｎｍｌａｔｏｒｗｉｔｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｉｎｇ　ｔｈａｔ　，ｔｈｅ　ｎａｖｉｇａｔｏｒ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｇｕｉｄａｎｅｅ　ｊｎｆｏｒｏｔａｔｉｏｎ．ａｎｄ　ｉｔ　ｗｏｒｋｓ　ｓｔａｂｌｙ　ａｎｄ　ｒｅｌ　ｉａｂｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｏｔａｔｉｏｎ；Ｔｒａｃｋ　ｌｃａｄ；Ｍｕｈｉ—ｔｈｒｅａｄ：Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　精确制导炸弹是在通用航空炸弹的基础上　加装制导系统和气动力控制面而形成的一种远　程打击空地武器，Ｌ大Ｊ具有精度高、射程远、威力　大、价格低等优点而得到快速发展…　炸弹以投　弹ｎｆ，￣Ｊｌ载机的速度和高度为动力，依靠其升力　面和制导控制系统，可滑翔一定的距离。精确制　导武器一般需要载机航电系统配合完成航路导　引、攻击　计算、投放提示等工作。为实现精确　制导武器的快速挂装，本文没汁ｒ一种便携式　导航仪，辅助飞机航电系统完成对制导炸弹的　投放控制。　１系统工作原理　导航仪硬件采用具备　星信号接收能力的　手持式计算机，设计々用的控制软件实现导航　●　引导功能．　执行任务前，．指挥人员将拟定的载　机最优飞行航迹和待攻击的目标信息装订钊导　航仪中，然后交给飞行员，载机携带制导炸弹飞　●　行过程叶１，导航仪接收ＧＰＳ信息，并根据预装汀　●　●　的最优航迹信息和｝＿ｉ标信息进行引导　ＧＰＳ信息的传输遵循ＮＭＥＡ　０１８３协议【２Ｊ，　：６０　Ｖ：７４ｉ　Ｉｑ：８１２９　Ａ棚：９　Ｄ：∞　：７ｌ６　８ｌ∞矗ｎ。：４０　ＰＤＡ　ｆ｝｜的ＧＰＳ模块接收ＧＰＳ信息，并将接收到　右转　的信息放到一个虚拟串口的缓存区中，软件定　时查询该端几，渎取ＧＰＳ数据．．根据系统需要　的信息，软件主要对￥ＧＰＧＧＡ，￥ＧＰＲＭＣ，　图１仿真验证　￥ＧＰＧＳＶ　个数据Ｊ帧进行解码，计算载机当前　位置、速度、高度、航向等信息，当载机偏离最优航迹时，给…引导提　显示在ＰＤＡ屏幕　，进行方向引导，其精度不需要太高，因此可以　示，根据装订的口标点坐标和制导炸弹攻击区算法，实时解算攻击，　将纬度线近似看成足一系列均匀的水平线，将经度线近似看成是一　当载机进入攻击区时，给出投放炸弹的提示。　系列均匀的垂』　线，将各点的经纬度坐标按比例映射刮平面直角坐　２关键技术　标系中。在实战过程中，载机的飞行路径～・般是从机场起飞，向着目　２．１坐标转换　标飞行，执行完攻击任务后返航。　此，在初始状态下，可以将机场　ＧＰＳ信息中的位置信息是经纬度格式的，为在计算机屏幕上显　与目标之间的区域映射到屏幕上。假设机场的经纬度坐标为（　　，Ｂ　），考虑剑实际显示问题，需要在边缘留出　示，需将经纬度坐标转换到平面直角坐标系，转换方法有很多种，如　Ｂ　），目标点坐标为（Ｉ墨卡托投影、高斯一克吕格投影、摩尔威特投影、等差分纬多圆锥投　定余量，假设余量为０，则町以得到边界值：　影、格灵顿投影、桑森投影等［３ｌ。其中最常用的转换算法是高斯投影　ｌ￣＝ｒｕｉｎ（Ｌ．，ｌ１）一０　（１）　算法，多位学者对其　反算都进行了深入研究，可采用牛顿迭代法　Ｌ】＝ｍａｘ（１　，Ｉ　）＋０　（２）　折半查找法或有理逼近法【　Ｉ实现，但计算较为复杂，难以满足本文　Ｂ（￣＝ｍｉｎ（Ｂ　，Ｂ。）一０　（３）　实时转换的需要。　Ｂｌ＝ｍａｘ（Ｂ　，Ｂ　）＋０　（４）　导航软件的主要功能是将载机、航路点和目标的相对位置关系　其中（Ｉ—ｏ，Ｂ　）为屏幕左下角对应的实际坐标值，（Ｌ　，Ｂ　）为屏幕有　脚　。　簟　暖　一、作者简介：魏志刚，男，河南焦作，高级工程师，研究方向是机载武器系统　・１２６・　科技论坛　上角对应的实际坐标值，则屏幕中心的实际坐标值为（（Ｉ－ｏ＋Ｌ　）１２，　以第ｊ＋１个航路点为基础进行引导；若Ｄｍ￣＞ｄ，则以第ｊ个航路点为　（Ｂｏ＋Ｂ。）／２），以下考虑以屏幕中心为基准进行缩放的情况。假设初始　基础进行引导。　状态下屏幕右下角的像素坐标值为（ｘｌ，ｙ。），　为缩放倍数，ｄｘ、ｄｙ　在确定了引导航路点后，按方位和高度两个维度进行引导。首　分别为ｘ、Ｙ方向累积坐标变化量，则可以得到从大地坐标系（Ｌ，Ｂ）　先计算引导航路点相对于当前位置的北偏东角度，根据需要提示载　到屏幕坐标系（ｘ，ｙ）的转换关系：　机调整航向；然后进行高度比较，根据需要提示载机增加或降低高　ｘ＝ｘ￣／２＋ｄｘ＋ｙ１　１１　（Ｌ－（　Ｌ１）／２）／８　ｙ＝ｙ￣／２＋ｄｙ—Ｙ１　－ｑ　（Ｂ一（Ｂｄ＋Ｂ１）／２）／８　（５）　度。　（６）　２．４攻击区解算　其中当（Ｌ１一Ｉ　）／（Ｂ　一Ｂ０）＜ＹＪ　Ｘ。时，６＝Ｂ。一Ｂ０；否贝４，６＝Ｌ　一Ｌｏ。　载机飞行过程中，导航仪接收ＧＰＳ信息，根据当前高度、速度、　２．２视图缩放与移动　航向和目标信息，实时解算攻击区，并根据当前位置确定载机是否　当飞机距离目标较远时，比例尺较大；飞机接近目标时，比例尺　位于允许投放区内。制导炸弹的攻击区算法比较复杂，难以满足本　也变小，软件应根据飞机与目标的距离合理调整比例尺。　文实时解算的需要。因此对攻击区算法进行了简化处理，采用分段　假设仪为缩放基数，ｎ为缩放等级，初始情况下令　＝１．２，　拟合的方式，大大提高了运算效率，精度也可满足要求。为了保证射　ｎ＝０，缩放倍数　＝　ｎ。当进行放大操作时，ｎ增大；当进行缩小操作　程，在临近攻击区时，载机应尽可能以较小的离轴角向着目标飞行，　时，ｆｌ减小。修改缩放倍数　后需要同时更新两个坐标轴方向的累　当载机进入攻击区时，给出可以投放制导炸弹的提示。　积坐标变化量ｄｘ和ｄｙ，放大时，ｄｘ＝ｄｘ＊１１，ｄｙ＝ｄｙ＊１１；缩小时，　３系统实现与验证　ｄｘ＝ｄｘ／－ｑ，ｄｙ＝ｄｙ／，ｒＩ，然后重新进行坐标转换。当进行视图移动操作　导航软件在Ｖｉｓｕａｌ　Ｓｔｕｄｉｏ　２００５平台下用ｃ＋＋语言开发实现，　时，首先计算出本次的坐标变化量△ｘ和ＡＹ，并修改累积坐标变化　下载到ＰＤＡ中运行。用ＧＰＳ模拟器生成动态场景，模拟载机飞行过　量，ｄｘ＝ｄｘ＋△ｘ，ｄｙ＝ｄｙ＋△Ｙ，然后重新进行坐标转换。　程，设定一个目标并规划一条航迹装订到导航仪中进行仿真验证。　另外，当飞机移至屏幕边缘时，应自动将其移至屏幕中心区域，　在仿真过程中，导航仪准确的给出了转弯、投放等提示信息，如图１　以免飞出屏幕显示范围。为确定当前时刻飞机在屏幕上的位置，需　所示。之后对多个目标分别进行了多次仿真验证，结果表明导航仪　要得到屏幕的边界值，即屏幕边缘所对应的经纬度坐标值。在初始　工作稳定可靠，引导准确。　状态下，边界值是确定的，但经过多次缩放和移动操作后，边界值已　４结论　经发生了变化，在此过程中，屏幕边缘的像素值是不变的，这就需要　针对飞机挂装精确制导武器的需求，本文设计出了一种便携式　进行逆转换，以确定边界值。逆转换可通过对（５）、（６）变换进行。　导航仪，以辅助飞机航电系统完成对制导炸弹的投放控制。通过坐　将当前坐标与边界值进行比较可确定是否需要进行移动。当需　标转换、视图缩放、航路引导等技术解决了一些关键问题，多次仿真　要移动时，如果一次移动到位，会产生“跳跃”现象，可采用多线程技　验证结果表明：导航仪工作稳定可靠，给出的引导信息准确，具有一　术处理。多线程技术是现代操作系统所提供的重要能力之一，并广　定的应用价值。　泛应用于各类软件的设计，它能够在主线程之外并发地提供任务处　参考文献　理支持，从而使得程序处理效率得到提升。多线程技术的使用使得　【１】谢建华．精确制导炸弹现状和发展趋势ｆＪ１．地面防空武器，２００１，１．　软件交互界面更加友好，任务响应时间更加迅速，并凭借其特有的　【２】尹君，李萌．ＧＰＳ数据在图像传输中的应用『Ｊ】．航天制造技术，　４．　优势为多任务高效处理提供了有效的解决方案问。开启一个子线程，　２００８，分多次移动，每次移动后短暂延时，这样就会产生缓慢移动的效果，　［３】赵湘，陈罡．地理信息系统中的坐标变换【Ａ１．第１１届全国计算机　移动完成后子线程自动退出。　在现代科学技术领域应用学术会议论文集ｆｃ］．　２．３航路引导　［４］李学民．数值计算方法在高斯投影正反算中的应用【Ｊ１．城市勘测，　导航仪按预装订的最优航迹引导载机飞行。一般情况下，载机　２００８（３）．　从预定的机场起飞，沿规划的航迹飞行，导航仪按顺序依据各航路　【５］刘健，刘高峰．高斯一克吕格投影下的坐标变换算法研究『Ｊ１．计算机　点进行引导。但在异常情况下，如起飞机场临时改变、信号丢失后重　仿真，２００５，２２（１０）．　捕、载机未按预定航路飞行等，导航仪需要确定当前时刻从哪个航　【６］阿克特．多核程序设计技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７．　路点开始引导。　假设允许导航误差为ｄ，载机的当前位置为Ｐ０，坐标为（　Ｂ。，　Ｈ。），最优迹迹共包含有ｎ个航路点，第ｉ个航路点记为Ｐ。，坐标为　（Ｌｉ，Ｂ　），其中１≤ｉ≤ｎ。记Ｄ（Ｐ　，　）为第ｉ个航路点与第Ｊ个航路点　之间的距离，首先遍历所有航路点找到距离当前位置最近的航路　点：　Ｄ．￣＝Ｍｉｎ｛Ｄ（Ｐｏ，Ｐｉ）ｌ，１≤ｉ≤ｎ　（７）　假设Ｐ｛为满足要求的航路点，则需要判断当前位置是位于　的前侧还是后侧，若：　Ｄ（Ｐｏ，Ｐｊ＋１）￣Ｄ（Ｐｊ，Ｐｊ＋１）　（８）　则当前位置位于　的后侧，以下以第ｊ＋１个航路点为基础进行　引导；否则，需要再判断Ｄ　是否在导航误差范围内。若Ｄ　≤ｄ，则　（上接１　４３页）不少的系列盗窃案件，同时我们也发现了一些问题：一　网上共享，特别是串并案件的信息共享，才能更好地、更有效地发挥处　是辖区内多个小区和路面上的监控设备还不尽完善，出现许多监控的　它打击系列盗窃案件的威力；四是各相关部门协同作战，及时总结经验　盲点。我们公安机关下一步需要加大更多的投入，有效清除监控盲点；　信息和总结犯罪团伙的地域特点，做到案发后在勘查现场时就能准确　　二是派出所、侦查中队、情报部门与刑事技术部门在共享信息的时候还　知道犯罪分子的作案特点与所属地域特点。不是很畅通，需要建立起—个长期联动机制，来确保　息及时全面共　依托现场信息，利用信息化手段，进行串并、打击系列盗窃案件的　侦破案件成本过高，有效打击盗窃　享，并将侦破掌握的犯罪特点（包括作案的地域特征）总结出来，以丰　模式是一种有效解决目前警力不足、富、充实情报信息内容；三是这种打击系列盗窃案件的模式在单独—个　案件的方法，希望大家和我们一起充分利用好信息化手段，解放思想，　去发展这种模式，实现高效打击盗窃案件，达到保护好人民群　分局内运作还不能完全发挥出它应有的效能，它需要整个市局，甚至整　去完善、个相邻的流窜犯罪区域内的公安机关能真正联合起来，实现相关　息　众的则－产：安全的目的。