蘇 勛

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

單脈沖天線角度跟蹤模擬技術(shù)

蘇 勛

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

通過對單脈沖天線方向圖數(shù)學(xué)模型的研究,提出了一種角度跟蹤模擬方法。采用信標(biāo)和數(shù)控衰減器組合的方式,結(jié)合VxWorks操作系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了天線主、副瓣信號的模擬,工程應(yīng)用情況良好,對當(dāng)前武器裝備仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研制具有重要的參考價(jià)值。

測控系統(tǒng);單脈沖天線;天線方向圖;偏離角模擬;天線副瓣

1 引 言

仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研制是當(dāng)前武器裝備建設(shè)的重要內(nèi)容,在測控領(lǐng)域已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。對靶場測控系統(tǒng)使用的訓(xùn)練模擬器而言,模擬內(nèi)容包括角跟蹤性能模擬、距離和速度動態(tài)模擬[1-3]、遙測遙控功能模擬、數(shù)傳接收解調(diào)性能模擬等多項(xiàng)具體內(nèi)容,其中角跟蹤性能的仿真模擬難度較大。

測控系統(tǒng)中角度捕獲是關(guān)鍵,它關(guān)系到整個(gè)測控活動的成敗。S頻段測控系統(tǒng)可以通過跟蹤過境衛(wèi)星進(jìn)行角度捕獲的任務(wù)演練,但對于C頻段測控系統(tǒng),由于沒有過境的低軌衛(wèi)星跟蹤,測控系統(tǒng)缺少一種可隨時(shí)對設(shè)備跟蹤性能進(jìn)行檢查、模擬演練的環(huán)境,因此有必要研究一種角跟蹤模擬設(shè)備,與測控系統(tǒng)的天線與接收分系統(tǒng)一起構(gòu)成角跟蹤閉環(huán)系統(tǒng),通過模擬各種測控活動前的校相過程、實(shí)際捕獲過程,以達(dá)到對崗位人員進(jìn)行實(shí)景訓(xùn)練提升技能的目的。

2 角跟蹤仿真模擬原理

角跟蹤模擬器以射頻信號源、數(shù)控衰減器、數(shù)控移相器、信號處理單元為基礎(chǔ)構(gòu)建硬件模擬環(huán)境,模擬信號從高頻接收機(jī)場放輸入端注入測控系統(tǒng)。根據(jù)天線和路/差路信號幅度歸一化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行波束跟蹤信號仿真,可得到天線波束捕獲目標(biāo)過程中完整的和路/差路信號電平、天線偏離角、誤差電壓理論值等原始數(shù)據(jù);通過天線對塔標(biāo)?？色@得跟蹤系統(tǒng)的AGC-S/Υ曲線、和路與差路信號在波束內(nèi)的真實(shí)幅度差值。據(jù)此可建立天線偏離角與角誤差信號之間的參數(shù)映射表,存儲在信號處理單元中以備調(diào)用。

進(jìn)行系統(tǒng)跟蹤性能模擬仿真時(shí),根據(jù)所選飛行器的理論軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),通過數(shù)字引導(dǎo)(或手動)方式將天線置于目標(biāo)進(jìn)站點(diǎn),采用時(shí)間符合方式控制系統(tǒng)模擬進(jìn)程。待目標(biāo)進(jìn)入天線波束以后,角跟蹤模擬器根據(jù)軌道預(yù)報(bào)值與天線當(dāng)前實(shí)際指向值之間的角度偏差,分別計(jì)算出天線指向的方位和俯仰偏離角;根據(jù)天線偏離角,通過查表方式從角誤差映射表中獲取方位、俯仰誤差模擬衰減器的相應(yīng)衰減量,模擬產(chǎn)生饋源激勵出的和、差電壓信號。和路、差路跟蹤信號再經(jīng)過高頻接收鏈路放大、下變頻后送中頻跟蹤接收機(jī),在跟蹤接收機(jī)中進(jìn)行角誤差信號解調(diào),輸出角誤差信息給天線控制單元,完成系統(tǒng)角度閉環(huán)跟蹤。

通過仿真模擬軟件,瞬間切斷角跟蹤模擬器輸出的和路、差路信號,可以模擬目標(biāo)突然丟失的情況,來輔助訓(xùn)練崗位人員快速、重新捕獲目標(biāo)的應(yīng)對能力。

角跟蹤性能的仿真模擬工作原理如圖1所示。

圖1 角跟蹤模擬器工作原理框圖Fig.1 Operation principle diagram of the angle tracking simulator

3 角度跟蹤模擬功能實(shí)現(xiàn)方案

3.1 雙通道單脈沖體制角誤差信號數(shù)學(xué)模型

為了提高跟蹤精度,TT&C測控站使用的雙通道單脈沖天線大部分采用多模饋源結(jié)構(gòu)。在接收單頻信號時(shí),以天線三軸中心為原點(diǎn)建立XOY平面測量坐標(biāo)系,如圖2所示。

圖2 地面站測量坐標(biāo)系示意圖Fig.2Sketch map of measurement reference frame of the ground station

當(dāng)角度誤差θ很小時(shí),天線接收到的和路信號(∑)可以表示為

差路信號(Δ)可以表示為

差信號進(jìn)一步表示為

由上式可以看出,差信號的前項(xiàng)為方位誤差信號,后項(xiàng)為俯仰誤差信號。差信號sΔ(t)在跟蹤接收機(jī)中進(jìn)行相干鑒相,和信號相移90°后與差信號相乘鑒相得到方位誤差信號,和信號與差信號相乘鑒相得到俯仰誤差信號,低通濾波后得到方位誤差電壓UA和俯仰誤差電壓UE分別為

式中,Ks為鑒相器增益因子。由式(4)、(5)可以看出,方位、俯仰的角誤差信號與目標(biāo)偏離天線電軸的角度θ成正比。

利用式(1)、(2)可以建立單脈沖天線方向圖的簡化模型,如圖3(a)所示,該模型適用于信號入射方向與天線電軸偏離角度不大的情況(差波束線性區(qū)內(nèi))。當(dāng)偏離角θ較大時(shí)(非線性區(qū)),可采用圖3(b)所示方向圖模型,該模型由若干拋物線構(gòu)成,是對實(shí)際天線和差方向圖的近似。圖3(c)是一個(gè)天線實(shí)際測量出的和差方向圖的一部分。

圖3 天線方向圖建模曲線Fig.3Modeling curve of antenna pattern

3.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)天線方向圖簡化模型構(gòu)建的模擬電路原理如圖4所示。信標(biāo)單元模擬產(chǎn)生衛(wèi)星或飛船的下行射頻信號,工作頻率由信號處理單元控制。接口卡與天伺饋分系統(tǒng)軸角編碼器通信,實(shí)時(shí)獲取天線角度數(shù)據(jù)A′、E′,并將天線實(shí)時(shí)角度數(shù)據(jù)送主CPU卡。主CPU卡接收A′、E′和軌跡數(shù)據(jù)文件提供的天線A、E角度值,并完成方位偏離角和俯仰偏離角的實(shí)時(shí)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果送信號處理單元。信號處理單元完成相應(yīng)的數(shù)值換算,通過A、E方向圖歸一化差信號幅度查表,實(shí)現(xiàn)對角度模擬衰減器衰減量的數(shù)字化控制。

圖4 角誤差信號模擬原理框圖Fig.4 Principle diagram of angle error signal simulation

下行射頻信標(biāo)信號送距離模擬數(shù)控衰減器,地面站到目標(biāo)的空間距離模擬功能完成后,射頻信號送往功分器1進(jìn)行信號分路。和路信號直接輸出,差路信號分為方位差和俯仰差兩路信號。兩路差信號分別送衰減范圍為40 dB的偏離角模擬衰減器1、2,角度模擬控制到位后,將方位差路信號移相90°后與俯仰差路信號合成一路輸出。按照目標(biāo)當(dāng)前的距離值對距離模擬衰減器進(jìn)行信號電平控制,將天線的A、E歸一化差方向圖關(guān)系表存放在信號處理單元中,根據(jù)偏離角度隨時(shí)調(diào)用差信號衰減量,控制偏離角模擬衰減器1、2,即可實(shí)現(xiàn)角誤差信號的模擬功能。

3.3 角度模擬軟件設(shè)計(jì)

角跟蹤模擬器軟件主要功能如下:完成硬件模塊狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制及管理;模擬產(chǎn)生軌跡數(shù)據(jù)文件或接收監(jiān)控臺的軌跡數(shù)據(jù)文件;接收天伺饋分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)角度數(shù)據(jù),經(jīng)過合法性判決、處理后轉(zhuǎn)發(fā)至信號處理單元。角跟蹤模擬軟件由監(jiān)控軟件、通信和目標(biāo)模擬軟件兩部分組成。

監(jiān)控軟件采用Windows XP SP2操作系統(tǒng),提供良好的人機(jī)交互界面,用于對硬件電路參數(shù)和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、設(shè)置,將采集的各類信息上報(bào)監(jiān)控分系統(tǒng),產(chǎn)生軌跡數(shù)據(jù)文件等。

通信和目標(biāo)模擬軟件采用VxWorks 5.5實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),用于完成軌跡數(shù)據(jù)文件、天伺饋分系統(tǒng)實(shí)時(shí)角度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、處理、定時(shí)發(fā)送任務(wù)。

3.4 天線副瓣的模擬

當(dāng)天線指向偏離目標(biāo)角度較大時(shí),目標(biāo)將落入地面天線副瓣。在副瓣間的一定區(qū)域,通過天線接收到目標(biāo)信號的特性與主瓣接收到的目標(biāo)特性相同,當(dāng)伺服操作手經(jīng)驗(yàn)不足時(shí),往往會誤認(rèn)為目標(biāo)已經(jīng)捕獲,錯誤地將天線切換為自跟蹤狀態(tài)。靶場測試結(jié)果表明,副瓣接收到的信號誤差電壓線性范圍更小,信號不穩(wěn)定,采用副瓣跟蹤很容易丟失目標(biāo),甚至出現(xiàn)天線飛車現(xiàn)象。因此,通過對天線副瓣的仿真模擬,讓操作手對副瓣信號的特性有更深入的認(rèn)識,對于保障測控活動的圓滿成功意義重大。

經(jīng)過外場試驗(yàn)研究,天線副瓣信號與主瓣信號的主要差異如下:信號幅度相差14 dB以上(第二副瓣-20 dBc左右、三階副瓣-30 dBc左右、遠(yuǎn)旁瓣電平小于-40 dBc);副瓣跟蹤目標(biāo)時(shí),誤差電壓線性范圍、差斜率不再遵循主波束跟蹤線性度的設(shè)計(jì)要求,極化特性、電平穩(wěn)定性能嚴(yán)重惡化,難以穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。天線副瓣信號模擬時(shí)需要體現(xiàn)上述特征。

為了真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬出天線副瓣的信號特征,以外場實(shí)際測量出的天線方向圖為依據(jù),準(zhǔn)確繪制出主波束以外各個(gè)角度上的和差信號幅度差-偏離角關(guān)系、和差信號幅度差-誤差電壓關(guān)系、偏離角-誤差電壓關(guān)系、偏離角-AGC電壓關(guān)系4組定標(biāo)曲線(偏離角包括方位、俯仰二維),建立數(shù)據(jù)映射表;通過查表方法獲取和差信號幅度差的控制量,直接對圖4中角度模擬衰減器、距離模擬衰減器進(jìn)行控制,即可實(shí)現(xiàn)天線副瓣接收信號的模擬。

3.5 角度模擬精度

角度模擬精度主要取決于以下兩個(gè)方面的制約因素:一是硬件設(shè)備的控制精度,即角度模擬衰減器的步進(jìn)精度;二是軌跡模擬數(shù)據(jù)的軟件控制精度。

3.5.1 硬件設(shè)備精度分析

根據(jù)式(3),θ cosφ為方位偏離角度,θ sinφ為俯仰偏離角度,其模擬完全由衰減器實(shí)現(xiàn),因此角度模擬精度與數(shù)控衰減器的精度有關(guān)。

由天線差斜率的定義,可推導(dǎo)出和差信號幅度差ΔA(即衰減器的衰減量)與目標(biāo)偏離角度之間的關(guān)系 。令 ζ1=θ cos ,ζ2=θ sin ,則有

式(6)說明偏移角度 ζ1、ζ2的模擬精度不僅與衰減器的精度有關(guān),也和模擬角度的大小有關(guān),而衰減器的精度隨著衰減量的增大而變差。

射頻數(shù)控衰減器的控制精度與衰減量大小相關(guān),當(dāng)衰減量為20～40 dB時(shí),衰減器控制精度為0.2～0.4 dB;當(dāng)衰減量為0～10 dB時(shí),衰減器控制精度可達(dá)到0.2 dB。

實(shí)際模擬過程中,ζ不超過10 mil(對應(yīng)最大角誤差電壓5 V)。數(shù)控衰減器精度按0.2 dB計(jì)算,控制精度最差為0.15 mil(約0.009°,對應(yīng)最小角誤差電壓75 mV),即方位、俯仰角度控制精度可以達(dá)到0.15 mil,不會對交差耦合以及自跟蹤產(chǎn)生影響。

3.5.2 軟件精度分析

軟件的精度主要取決于偏離角數(shù)據(jù)的獲取,以及模擬控制的實(shí)時(shí)響應(yīng)精度。

角度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、處理、定時(shí)發(fā)送采用Vx-Works 5.5實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與Windows相比,具有高優(yōu)先級任務(wù)可快速強(qiáng)制執(zhí)行、數(shù)據(jù)傳送時(shí)延穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

通信和目標(biāo)模擬數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紺PCI總線需要經(jīng)過如下幾個(gè)步驟,消耗時(shí)間如下。

(1)從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)耗費(fèi)時(shí)間

TCP/IP協(xié)議棧時(shí)間 T1<300 μ s(1 500byte/packet),網(wǎng)絡(luò)接收函數(shù)時(shí)間T2<15 μ s,數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)間T3<20 μ s。

(2)CPCI發(fā)送耗費(fèi)時(shí)間

隊(duì)列發(fā)送時(shí)間 T4<1.5 μ s,任務(wù)切換時(shí)間T5<2 μ s,隊(duì)列接收時(shí)間 T6<1 μ s,CPCI發(fā)送時(shí)間 T7<100 μ s(估算)。

總耗費(fèi)時(shí)間:T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7<450 μ s。

按照模擬角速度10°/s來計(jì)算,450 μ s引入的角度滯后誤差為0.075 mil,對應(yīng)角誤差電壓40 mV,完全不會對角度自跟蹤穩(wěn)定性帶來影響。

4 工程驗(yàn)證情況

目前,S/C頻段角跟蹤模擬器已研制完成,并在外場開展了系統(tǒng)聯(lián)試和驗(yàn)收測試。角跟蹤模擬器按圖1接入現(xiàn)役測控設(shè)備構(gòu)成角跟蹤閉環(huán)系統(tǒng),由軌跡數(shù)據(jù)文件模擬產(chǎn)生校飛飛機(jī)(或過境衛(wèi)星)的運(yùn)行軌跡、徑向距離、角度數(shù)據(jù);模擬器輸出包含有天線偏離角度、目標(biāo)距離等信息的射頻模擬信號,饋送至跟蹤信道。通過多次模擬試驗(yàn),模擬產(chǎn)生的空間運(yùn)動目標(biāo)與任務(wù)中真實(shí)目標(biāo)的運(yùn)動特性無明顯區(qū)別,角度捕獲整個(gè)過程與實(shí)際測控活動中的捕獲過程一致,伺服系統(tǒng)自跟蹤正常、平穩(wěn),滿足用戶使用要求。

5 結(jié)束語

采用上述方法研制的角跟蹤模擬器目前已經(jīng)在測控系統(tǒng)中成功應(yīng)用。角跟蹤模擬器可真實(shí)地模擬天線產(chǎn)生的主瓣、副瓣信號、角誤差信號,模擬校相過程、角度捕獲過程、自跟蹤過程與實(shí)際參加測控的流程相同。系統(tǒng)聯(lián)式中發(fā)現(xiàn),軟件的精度以及角度數(shù)據(jù)的頻率對角跟蹤模擬的性能影響較大,如何提高角度數(shù)據(jù)的頻率是需要進(jìn)一步研究的方向。

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SU Xun was born in Santai,SichuanProvince,in 1978.She received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2001.She is now an engineer.Her research concerns TT&C communication system for aerial vehicles.

Email:suxun20081225@163.com

Angle Tracking Simulation Technology for Monopulse Antenna

SU Xun
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

An angle tracking simulation method is proposed based onmathematicmodel of the monopulse antenna pattern.Signal simulation of both main lobe and side lobe of the antenna is successfully realized on the platform of VxWorks operation system by adopting both beaconing and digital controlled attenuator.The proposed simulator works well in engineering application.The work in this paper has important reference to the research of simulation training system for current weapon equipment.

TT&C system;monopulse antenna;antenna pattern;deviation angle simulation;antenna side lobe

TN82;V556

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.023

1001-893X(2012)06-0948-04

2012-03-05;

2012-05-18

蘇 勛(1977—),女,四川三臺人,2001年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)轱w行器測控總體技術(shù)。