鄭星，賀金龍，高軍山，李芷，楊黎都

天線回轉(zhuǎn)中心偏離陣列球心對(duì)測(cè)向的影響?

鄭星，賀金龍，高軍山，李芷，楊黎都

（解放軍63880部隊(duì)，河南洛陽471003）

在微波暗室內(nèi)進(jìn)行射頻仿真試驗(yàn)時(shí)，必須保證被試裝備天線回轉(zhuǎn)中心和天線陣列的球心重合，否則就會(huì)引起測(cè)向誤差，從而影響對(duì)被試裝備性能的科學(xué)評(píng)估。分析了對(duì)心不準(zhǔn)對(duì)裝備測(cè)向測(cè)試結(jié)果的影響，建立了測(cè)向誤差的分析模型，并且結(jié)合實(shí)例詳細(xì)分析了偏心距離和測(cè)向誤差的關(guān)系。相關(guān)分析模型和結(jié)論可以作為對(duì)心設(shè)備建設(shè)中對(duì)對(duì)心精度的指標(biāo)論證的依據(jù)，也可以為仿真試驗(yàn)戰(zhàn)情的設(shè)計(jì)提供科學(xué)的借鑒。

射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)；天線陣列；對(duì)心設(shè)備；測(cè)向誤差；被試裝備

1 引言

在雷達(dá)對(duì)抗裝備中，偵察測(cè)向的任務(wù)在于測(cè)得輻射源的方位，為干擾設(shè)備提供精確的方位引導(dǎo)。偵察設(shè)備的測(cè)向精度即測(cè)向準(zhǔn)確度，是測(cè)量值與被測(cè)目標(biāo)真實(shí)方位之間的差值，測(cè)向精度是偵察設(shè)備最重要的指標(biāo)之一。半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)為電子戰(zhàn)裝備的研制、性能評(píng)估提供密集、復(fù)雜、逼真、動(dòng)態(tài)的電磁威脅信號(hào)環(huán)境，對(duì)于電子戰(zhàn)系統(tǒng)的研制開發(fā)、試驗(yàn)鑒定具有十分重要的意義。在雷達(dá)對(duì)抗輻射式仿真試驗(yàn)中，被試的雷達(dá)對(duì)抗裝備接收球面天線陣列輻射的雷達(dá)和干擾信號(hào)，根據(jù)天線陣列三元組工作原理和偵察系統(tǒng)測(cè)向的基本原理，必須保證被試裝備天線回轉(zhuǎn)中心和天線陣列的球心重合，否則就會(huì)產(chǎn)生測(cè)向誤差［1-3］。而保證“兩心”重合的工作是由對(duì)心設(shè)備完成的，對(duì)心設(shè)備有經(jīng)緯儀、全站儀或小型激光器等多種方案；對(duì)心方法有兩線交叉、三點(diǎn)交會(huì)等。但無論是哪種工程實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)心設(shè)備及測(cè)量方法產(chǎn)生的誤差都無法完全消除，這樣被試裝備天線回轉(zhuǎn)中心與球面天線陣的球心就會(huì)不完全重合。那么，偏差達(dá)到什么程度是仿真試驗(yàn)測(cè)試可以接受的呢？本文在分析仿真試驗(yàn)對(duì)心過程的基礎(chǔ)上，建立了對(duì)心不準(zhǔn)引起的被試裝備測(cè)向誤差分析模型，重點(diǎn)結(jié)合偏心不偏軸和偏心偏軸兩種情況產(chǎn)生的測(cè)向誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析，希望可以為對(duì)心設(shè)備和對(duì)心方法的論證提供科學(xué)參考，為射頻仿真試驗(yàn)誤差分析提供有益的借鑒。

2 不同心引起的測(cè)向誤差分析

通過輻射單元陣列輻射方式模擬產(chǎn)生被試裝備試驗(yàn)所需的電磁信號(hào)環(huán)境，利用多自由度轉(zhuǎn)臺(tái)模擬被試裝備運(yùn)載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及機(jī)動(dòng)特性，同時(shí)通過被試裝備的天線及饋電系統(tǒng)接收由輻射單元陣列輻射的各種模擬信號(hào)，進(jìn)行裝備的作戰(zhàn)能力檢驗(yàn)的系統(tǒng)，我們稱之為射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)［4］。微波暗室是射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的組成部分之一，其一端是放置在靜區(qū)的三軸飛行轉(zhuǎn)臺(tái)或裝備承載平臺(tái)，另一端是球形天線陣列［5］。

仿真試驗(yàn)前，必須對(duì)被試裝備天線進(jìn)行調(diào)零操作［6-7］。首先是用對(duì)心設(shè)備進(jìn)行“對(duì)心”，使被試裝備天線的中心與靜區(qū)中心（球面陣球心）重合。由于天線陣的球心是空間的一個(gè)點(diǎn)，并且被試裝備天線的回轉(zhuǎn)中心也不能直觀地標(biāo)識(shí)，一種基于經(jīng)緯儀或全站儀的對(duì)心方法就是：通過暗室外的對(duì)心窗口建立坐標(biāo)系，在被試裝備天線大致放到指定位置后，再利用經(jīng)緯儀或全站儀等對(duì)心設(shè)備進(jìn)行精確調(diào)整，對(duì)心設(shè)備測(cè)量被試裝備回轉(zhuǎn)中心與球面天線陣列的球心之間的偏差，給出誤差信號(hào)，傳送給平臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)，再由平臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整被試裝備天線的回轉(zhuǎn)中心，使之與天線陣的球心重合?！皩?duì)心”完成后，再使陣列“零位”天線輻射信號(hào)用被試裝備天線對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)行“對(duì)軸”，使被試裝備天線與球面陣零位一致。由于“對(duì)軸”誤差主要是由被試裝備天線的測(cè)向性能決定的，且其在數(shù)據(jù)處理時(shí)可以消除［8-9］，所以對(duì)軸不準(zhǔn)產(chǎn)生的測(cè)向誤差這里不作分析，重點(diǎn)對(duì)由于對(duì)心不準(zhǔn)產(chǎn)生的測(cè)向誤差進(jìn)行分析。

建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系，O（0，0，0）點(diǎn)為靜區(qū)中心（球面陣球心），B（x1，y1，z1）點(diǎn)為目標(biāo)源的位置，OB之間的距離為R，A（x0，y0，z0）點(diǎn)為測(cè)向天線由于安裝偏離球面陣球心的偏心點(diǎn)，偏心距離為d（即OA），陣列“零位”天線為F（0，R，0）。

則測(cè)向誤差為

式中，α為目標(biāo)真實(shí)角度值，β目標(biāo)角度測(cè)量值。

目標(biāo)源B點(diǎn)的坐標(biāo)常用方位-俯仰角表示為（R，θ，φ），有：

式中，R為球面陣列的半徑，θ為目標(biāo)源相對(duì)于靜區(qū)中心的方位角，φ為目標(biāo)源相對(duì)于靜區(qū)中心的俯仰角。

同樣，將A點(diǎn)表示為（d，θ1，φ1），有：

根據(jù)圖1所示球心O、目標(biāo)源B和天線回轉(zhuǎn)中心A等各位置的關(guān)系，可以得到目標(biāo)真實(shí)角度值α為

目標(biāo)角度測(cè)量值β為

其中：

將式（2）、（3）代入式（1）就可以得到由于對(duì)心不準(zhǔn)產(chǎn)生的測(cè)向誤差的計(jì)算模型。

3 仿真分析

如果被試裝備天線回轉(zhuǎn)中心與球面陣球心不重合，就會(huì)有3種情況：第一種情況是不偏心、偏軸；第二種情況是偏心、不偏軸；第三種情況是偏心、偏軸。顯然，第一種情況是由于對(duì)軸不準(zhǔn)產(chǎn)生的測(cè)向誤差，這里不作討論，重點(diǎn)分析后兩種由于對(duì)心不準(zhǔn)而產(chǎn)生的測(cè)向誤差情況。

（1）偏心、不偏軸

當(dāng)偏心點(diǎn)在“零軸”（Y軸，即球心與陣列“零位”天線的連線）上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)偏心、不偏軸的情況。偏心點(diǎn)即天線回轉(zhuǎn)中心選在t1、t2、t3、t4、t5、t6的位置，它們到球心的距離分別為10 cm、5 cm、1 cm、-1 cm、-5 cm、-10 cm。用Matlab分別對(duì)各偏心點(diǎn)時(shí)的測(cè)向誤差進(jìn)行計(jì)算，偏心點(diǎn)在Y軸上的位置示意及測(cè)向誤差的結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：對(duì)一固定目標(biāo)源，當(dāng)天線回轉(zhuǎn)中心在陣列零軸上且距離球心越遠(yuǎn)時(shí)，由于不同心產(chǎn)生的測(cè)向誤差也越大；當(dāng)天線回轉(zhuǎn)中心在陣列零軸上一固定點(diǎn)時(shí)，目標(biāo)源為陣列“零位”天線時(shí)測(cè)向誤差最小，目標(biāo)源距離陣列“零位”天線越遠(yuǎn)測(cè)向誤差越大。

（2）偏心、偏軸

當(dāng)偏心點(diǎn)不在“零軸”上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)偏心、偏軸的情況。

首先，計(jì)算偏心點(diǎn)在X軸上時(shí)的情況，偏心點(diǎn)（s1、s2、s3、s4、s5、s6，它們到球心的距離分別為10 cm、5 cm、1 cm、-1 cm、-5 cm、-10 cm）的位置示意及測(cè)向誤差的結(jié)果如圖3所示。

再計(jì)算偏心點(diǎn)在Z軸上時(shí)的情況，偏心點(diǎn)（k1、k2、k3、k4、k5、k6，它們到球心的距離分別為10 cm、5 cm、1 cm、-1 cm、-5 cm、-10 cm）的位置示意及測(cè)向誤差的結(jié)果如圖4所示。

通過圖3、圖4和圖2結(jié)果的比較可以發(fā)現(xiàn)：偏心、不偏軸引起的測(cè)向誤差明顯大于由于偏心、偏軸時(shí)產(chǎn)生的測(cè)向誤差；測(cè)向誤差的最大值總是發(fā)生在當(dāng)目標(biāo)源為陣列的邊緣處時(shí)。

這樣，我們應(yīng)用式（1）、式（2）、式（3）建立的測(cè)向誤差計(jì)算模型，就可以基于偏心、不偏軸的情況，找到產(chǎn)生最大測(cè)向誤差的陣列上的目標(biāo)源Bδmax位置，然后根據(jù)Bδmax計(jì)算出偏心距離的允許值，結(jié)果如圖5所示。

如當(dāng)仿真試驗(yàn)時(shí)，要求由于對(duì)心不準(zhǔn)產(chǎn)生的測(cè)向誤差不超過0.1 mrad，那么被試裝備天線回轉(zhuǎn)中心與球心的距離就必須保證在8.3 mm以內(nèi)；若要求測(cè)向誤差在1 mrad以內(nèi)，那么偏心距離就必須保證不超過83 mm。

4 結(jié)束語

進(jìn)行偵察裝備性能的射頻仿真試驗(yàn)之前，必須利用對(duì)心設(shè)備對(duì)被試裝備的天線進(jìn)行對(duì)心操作。本文分析表明：由于對(duì)心不準(zhǔn)而造成的偏心不偏軸引起的測(cè)向誤差明顯大于由于偏心偏軸時(shí)產(chǎn)生的測(cè)向誤差，而且測(cè)向誤差的最大值總是發(fā)生在當(dāng)目標(biāo)源為陣列的邊緣處時(shí)。另外，為確保對(duì)心因素對(duì)偵察測(cè)向設(shè)備測(cè)向性能測(cè)試結(jié)果的影響在限定的精度范圍內(nèi)，被試裝備天線回轉(zhuǎn)中心與陣列球心的偏離就必須控制在一定的距離范圍內(nèi)，這也就是對(duì)對(duì)心設(shè)備和對(duì)心方法提出的相應(yīng)對(duì)心精度的指標(biāo)要求。本文建立的分析模型和相應(yīng)的分析結(jié)果，既可以指導(dǎo)對(duì)心系統(tǒng)建設(shè)和對(duì)心方法研究，同時(shí)還可以為試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)目標(biāo)源位置的選取提供借鑒。

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Impact of Equipment under Test（EUT）Antenna Rotating Center
Deviating Antenna Array Centre on Direction-finding

ZHENG Xing，HE Jin-long，GAO Jun-shan，LI Zhi，YANG Li-du
（Unit 63880 of PLA，Luoyang 471003，China）

RF simulation test in microwave anechoic chamber must ensure Equipment under Test（EUT）antenna rotating center and antenna array centre to be coincided，otherwise it will cause direction-finding（DF）error，thus affecting the scientific assessment of equipment performance.The influence of antenna rotating center deviating antenna array centre on equipment performance test results is analysed，a DF error analysis model is established and the relationship between eccentric distance and DF error is discussed through an example.This research work not only can be used as the basis of the center coincidence device in the construction of the precision index demonstration，but also can provide scientific reference for simulation scenario design.

radio frequency simulation system；antenna array；center coincidence device；direction-finding error；equipment under test（EUT）

the B.S.degree from Northwestern University and the M.S.degree from PLA National University of Defense Technology in 2000 and 2007，respectively.He is now an engineer.His research concerns RF simulation test technology and its application.

1001-893X（2012）07-1202-04

2011-12-21；

2012-04-10

TN955

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.032

鄭星（1976—），男，陜西西安人，2000年于西北大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2007年于國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)樯漕l仿真測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用。

Email：zhx961079＠yahoo.com.cn

ZHENG Xing was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1976. He