張曉愚，莫崇江，王衍琪，黃劍峰，張 云，張 檣

(北京環(huán)境特性研究所,北京 100854)

波束方向探測技術(shù)的注入式仿真系統(tǒng)驗(yàn)證

張曉愚，莫崇江，王衍琪，黃劍峰，張 云，張 檣

(北京環(huán)境特性研究所,北京 100854)

這篇文章主要介紹采用功率探測儀方式的注入式仿真系統(tǒng)對(duì)波束方向地面探測試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟、硬件控制與實(shí)現(xiàn)；通過向注入式仿真系統(tǒng)輸入模擬目標(biāo)星在不同位置發(fā)射的信號(hào)功率，以及目標(biāo)星在平臺(tái)坐標(biāo)下的角度和位置信息，一方面確定地面探測試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)方案的可行性和檢測相關(guān)設(shè)備的性能，另一方面驗(yàn)證對(duì)目標(biāo)星發(fā)射天線主波束方向的探測是否滿足精度要求；通過仿真試驗(yàn)證明該注入式仿真系統(tǒng)不僅使用方便、節(jié)約成本，而且通過控制相關(guān)儀器設(shè)備能夠準(zhǔn)確記錄地面探測試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)星仿真數(shù)據(jù)的計(jì)算信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證。

注入式仿真系統(tǒng); 波束方向; 地面探測;

0 引言

空間技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、軍事、科學(xué)、政治上具有重要意義，并廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，其發(fā)展之迅速已與個(gè)人生活息息相關(guān)，密不可分。與此同時(shí)，對(duì)空間目標(biāo)的探測技術(shù)也提升到了前所未有的戰(zhàn)略高度。本文提出了對(duì)空間非合作目標(biāo)主波束方向地面探測試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的注入式仿真方案。

主波束方向探測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在空間同步軌道對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星與地面站通信鏈路的準(zhǔn)確探測，在主波束探測系統(tǒng)上天前，必須建立地面試驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證主波束方向探測關(guān)鍵技術(shù)方案的可行性，并對(duì)相關(guān)設(shè)備的性能進(jìn)行檢測。本文提出的對(duì)空間目標(biāo)主波束方向地面探測試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的注入式仿真方案采用功率探測儀方式，通過模擬目標(biāo)星在不同位置發(fā)射的信號(hào)功率，以及目標(biāo)星在平臺(tái)坐標(biāo)下的角度和位置信息并注入功率探測儀，確定其對(duì)目標(biāo)星發(fā)射天線的主波束方向的探測是否滿足精度要求。

1 注入式仿真系統(tǒng)原理和組成

1.1 注入式仿真系統(tǒng)原理

注入式仿真是一種半實(shí)物仿真，模擬產(chǎn)生真實(shí)的信號(hào)并注入到實(shí)際的系統(tǒng)中，產(chǎn)生所模擬態(tài)勢下設(shè)備所面臨的信號(hào)。具有試驗(yàn)過程和環(huán)境可控、可仿真外場試驗(yàn)受各種客觀條件限制無法實(shí)施的試驗(yàn)性能，并且重復(fù)性好，能獲得更全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可有效彌補(bǔ)外場試驗(yàn)的上述不足。鑒于注入式仿真系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在不具備在暗室進(jìn)行試驗(yàn)的條件下，本文采用注入式仿真系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)星波束方向的地面探測技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

該注入式仿真系統(tǒng)將仿真的射頻信號(hào)不經(jīng)天線輻射而直接通過電纜送入被測設(shè)備相關(guān)輸入點(diǎn)上，而且被測設(shè)備的天線特性也被同時(shí)模擬，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)天線的輻射方向圖，通過控制各通道射頻信號(hào)的幅度，模擬傳感器與目標(biāo)天線相對(duì)位置發(fā)生改變時(shí)，傳感器接收到的功率變化，以實(shí)現(xiàn)傳感器搜索導(dǎo)向流程的功能檢驗(yàn)和指標(biāo)驗(yàn)證。

該注入式仿真系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)星發(fā)射信號(hào)功率的模擬，必須等效空間探測的實(shí)際情況。

1.1.1 最大功率分布等效

注入式仿真系統(tǒng)輸入到功率探測儀的功率最大值必須符合目標(biāo)星天線輻射在平臺(tái)平面上的功率密度分布和空間損耗。其中，空間損耗按下式計(jì)算：

式中,D為距離，單位Km；f為發(fā)射頻率，單位MHz。

1.1.2 注入功率范圍等效

當(dāng)主動(dòng)雷達(dá)單脈沖測角使平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)星下方時(shí)(以地球法線為參考0.05°范圍內(nèi))，這時(shí)需要找尋目標(biāo)星天線的波束方向可能在±0.8°(目標(biāo)星與地面基站連線為基準(zhǔn)線)內(nèi)任意方向。根據(jù)目標(biāo)星天線方向圖，注入式仿真系統(tǒng)輸入到功率探測儀的功率變化范圍應(yīng)當(dāng)為±0.8°內(nèi)主瓣幅值的變化范圍。

1.1.3 最小功率梯度等效

根據(jù)目標(biāo)星天線口徑模擬天線主波束3 dB寬度內(nèi)的功率分布，圖1為示意圖，尋找隨角度變化的最小功率步進(jìn)，同時(shí)還需要考慮系統(tǒng)存在一定誤差，因此注入式仿真系統(tǒng)輸入到功率探測儀的最小功率梯度必須留有余量。

圖1 主波束示意圖

1.1.4 功率穩(wěn)定度等效

功率探測儀因需較長時(shí)間的探測過程，因此需考慮探測過程中信號(hào)源和功放等儀器的功率穩(wěn)定度，由于越接近波束方向中心功率梯度越小，忽略接收機(jī)的線性度，實(shí)際探測過程中只要發(fā)射功率穩(wěn)定度不大于其中心功率梯度的變化，就能探測到與功率梯度變化相對(duì)應(yīng)的波束方向。

1.2 注入式仿真系統(tǒng)組成

該注入式仿真系統(tǒng)采用功率探測儀方式，由信號(hào)發(fā)生器(數(shù)字和模擬)、功分器、步進(jìn)衰減器、功率計(jì)、接口轉(zhuǎn)換模塊、控制計(jì)算機(jī)和控制軟件組成，與仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)、功率探測儀共同構(gòu)成目標(biāo)波束方向探測地面技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 目標(biāo)波束方向探測地面技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)

其中方框內(nèi)各設(shè)備構(gòu)成注入式仿真系統(tǒng)，各組成部分的功能和作用如下：

1)遙測碼信號(hào)放射器：輸出BPSK+PM調(diào)制信號(hào)，要求功率穩(wěn)定。

2)數(shù)傳碼信號(hào)發(fā)生器：輸出QPSK調(diào)制信號(hào)，產(chǎn)生高速碼。

3)功率計(jì)：監(jiān)測信號(hào)源輸出功率，并以其檢測值為基準(zhǔn)對(duì)信號(hào)源輸出功率進(jìn)行修正和閉環(huán)控制。

4)步進(jìn)衰減器：衰減信號(hào)源輸出功率以滿足功率探測儀輸入功率的要求。

5)接口轉(zhuǎn)換模塊：實(shí)現(xiàn)CAN信號(hào)、串口422信號(hào)與網(wǎng)絡(luò)信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的功能，起到仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)與功率探測儀之間的通信中轉(zhuǎn)作用。

6)控制計(jì)算機(jī)：信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)閉環(huán)控制以及與仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)之間的通信。

2 控制軟件

2.1 控制軟件的功能

控制軟件位于控制計(jì)算機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)注入式仿真系統(tǒng)參數(shù)配置，以及與仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)、功率探測儀通信互聯(lián)。按照功能劃分，主要由系統(tǒng)控制及顯示模塊、通信控制及顯示模塊以及狀態(tài)標(biāo)示模塊等組成。

具體可實(shí)現(xiàn)功能如下：

1)接收仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)傳來的功率信息和位置姿態(tài)信息并顯示；

2)控制遙測碼信號(hào)發(fā)射器的功率及BPSK調(diào)制的相關(guān)參數(shù)，按0.05 s(可調(diào))發(fā)送來自仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)的功率信息列表，改變模擬信號(hào)源的功率值，同時(shí)記錄信號(hào)源功率改變過程；按照相應(yīng)時(shí)序控制數(shù)控碼信號(hào)發(fā)射器、功率計(jì)，并顯示相應(yīng)信息(功率讀數(shù)、線性曲線擬合等)；

3)控制數(shù)控碼信號(hào)發(fā)射器的功率及QPSK調(diào)制的相關(guān)參數(shù)，按0.05 s(可調(diào))發(fā)送來自仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)的功率信息列表，改變數(shù)字信號(hào)源的功率值，同時(shí)記錄信號(hào)源功率改變過程；

4)可根據(jù)功率計(jì)單獨(dú)對(duì)信號(hào)源(模擬和數(shù)字)輸出的功率提前進(jìn)行修正。

5)中轉(zhuǎn)功率探測儀發(fā)送的功率信息和波束中心位置信息并顯示，其中控制計(jì)算機(jī)傳給功率探測儀的數(shù)據(jù)為0.05 s(可調(diào))傳輸一個(gè)，功率探測儀傳給控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)為0.4 s一個(gè)。

2.2 控制軟件的接口

控制軟件的接口包括控制計(jì)算機(jī)與仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)與信號(hào)源，控制計(jì)算機(jī)與功率計(jì)，控制計(jì)算機(jī)與功率探測儀。

1)控制計(jì)算機(jī)與仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)接口。

兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)口連接，遵循TCP/IP協(xié)議，控制計(jì)算機(jī)接收每個(gè)位置功率值和位置姿態(tài)信息，同時(shí)向仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)功率探測儀傳回的功率值和位置信息。

2)控制計(jì)算機(jī)與功率探測儀接口。

控制計(jì)算機(jī)作為仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)和功率探測儀的通信中轉(zhuǎn)站，通過接口轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)和功率探測儀通信中轉(zhuǎn)，接口包括一個(gè)RS422串口和兩個(gè)CAN接口。

圖3 工作狀態(tài)示意圖

3)控制計(jì)算機(jī)與信號(hào)源及控制計(jì)算機(jī)與功率計(jì)的接口。

控制計(jì)算機(jī)與數(shù)字、模擬信號(hào)源及控制計(jì)算機(jī)與功率計(jì)的接口均為網(wǎng)口。由于數(shù)字、模擬信號(hào)源和功率計(jì)都是標(biāo)注儀器，支持VISA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

2.3 控制軟件的時(shí)序

控制軟件的時(shí)序由系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間決定，一是射頻信號(hào)發(fā)生時(shí)間，二是通信轉(zhuǎn)接延時(shí)。

1)射頻信號(hào)發(fā)生時(shí)間。

射頻信號(hào)發(fā)生時(shí)間主要包括接收仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)功率值的延時(shí)和信號(hào)發(fā)生時(shí)間之和。因仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)和控制計(jì)算機(jī)之間以及控制計(jì)算機(jī)與信號(hào)源之間用百兆網(wǎng)或千兆網(wǎng)通信，因此延時(shí)很短，花費(fèi)時(shí)間也在微秒量級(jí)，可以忽略不計(jì)。因此射頻信號(hào)發(fā)生時(shí)間由信號(hào)源幅度穩(wěn)定時(shí)間決定。

2)通信轉(zhuǎn)接延時(shí)。

仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)和控制計(jì)算機(jī)之間通過網(wǎng)口通信，控制計(jì)算機(jī)通過接口轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)和功率探測儀之間的通信中轉(zhuǎn)。因此通信轉(zhuǎn)接延時(shí)包括網(wǎng)口延時(shí)和串口轉(zhuǎn)換模塊通信延時(shí)。網(wǎng)口延時(shí)很小，在微秒量級(jí)，可忽略不計(jì)。RS422串口通信速率最大可達(dá)10 Mbps，CAN總線通信速率為1 Mbps，因此通信延時(shí)也較小，設(shè)計(jì)50 ms的響應(yīng)周期完全可滿足要求。

2.4 控制軟件的設(shè)計(jì)

該控制軟件采用MVC三層模式，這是一種常見的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模式，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 MVC三層模式

其中，Model存儲(chǔ)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)；View用于界面顯示；Control處理Model中的數(shù)據(jù)，并將Model傳遞給View進(jìn)行顯示。

2.4.1 Model層類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Model對(duì)象負(fù)責(zé)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中，主要有一下幾類數(shù)據(jù)：

1)上游系統(tǒng)發(fā)送的消息(U_TO_CMessage)；

2)發(fā)送給上游系統(tǒng)的消息(C_TO_UMessage)；

3)發(fā)送給下游系統(tǒng)的消息(C_TO_DMessage)；

4)下游系統(tǒng)處理后的消息(D_TO_CMessage)；

5)發(fā)送給設(shè)備的消息(C_TO_DevMessage)；

6)設(shè)備回執(zhí)的消息(Dev_TO_CMessage)。

Model層的類圖結(jié)果如圖5所示。

圖5 Model層類圖設(shè)計(jì)

所有Model都繼承自BaseModel，BaseModel定義了一些基本操作。主控程序與上下游系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，所有網(wǎng)絡(luò)消息都以字節(jié)流的形式傳輸。

2.4.2 Control層類圖設(shè)計(jì)

Control層負(fù)責(zé)整個(gè)主控系統(tǒng)的邏輯處理，需要實(shí)時(shí)地與上下游系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行交互，并將解析的數(shù)據(jù)傳遞給View界面進(jìn)行展示。Control層類圖設(shè)計(jì)如圖6所示。

針對(duì)上下游系統(tǒng)和多臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，設(shè)計(jì)了特定的handler類，每個(gè)handler都有一個(gè)線程(Thread)，以便充分利用CPU資源和提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。在處理過程中，各個(gè)Handler將中間結(jié)果都存儲(chǔ)到全局緩沖區(qū)(GlobalBuffer)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。GlobalBuffer使用單例模式，采用隊(duì)列(Queue)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)外提供線程安全的Push(將數(shù)據(jù)加入到隊(duì)列)和Pop(從隊(duì)列取數(shù)據(jù))方法。

MainForm通過各handler對(duì)象與上下游系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行交互，接收和解析數(shù)據(jù)，并控制View界面控件進(jìn)行展示。

2.4.3 View層界面設(shè)計(jì)

View層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示，如文本、曲線等。為了將Control中處理的數(shù)據(jù)顯示到界面，使用了C 中的委托(delegate)和事件(Event)，采用異步編程的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給界面繪圖線程進(jìn)行展示。

3 仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 環(huán)境控制

1)按圖2將各設(shè)備連接，開機(jī)預(yù)熱至少90分鐘，測試控制計(jì)算機(jī)、仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)、功率探測儀相互間通信是否正常。

2)室內(nèi)空調(diào)打開，溫度設(shè)定為20°，待溫度恒定后30分鐘。

3)試驗(yàn)操作人員盡量遠(yuǎn)離仿真設(shè)備，以盡量避免人員走動(dòng)引起震動(dòng)產(chǎn)生的功率幅值變化。

3.2 自校

自校的目的是為了驗(yàn)證遙測碼信號(hào)發(fā)生器和數(shù)傳碼信號(hào)發(fā)生器最終輸入到功率探測儀的功率步進(jìn)精度是否滿足要求。自校過程可分為遙測碼信號(hào)輸入自校、數(shù)傳碼信號(hào)輸入自校以及兩種信號(hào)合路自校。

3.3 流程

1)仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)初始化，得到隨機(jī)的目標(biāo)星、探測平臺(tái)，目標(biāo)星及天線極化狀態(tài)的初始姿態(tài)和位置，并根據(jù)姿態(tài)和位置給出探測平臺(tái)在探測過程中接收到的系列功率值。

2)控制計(jì)算機(jī)接收仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)傳送的系列功率值，并按每0.05 s控制信號(hào)源功率順序改變。同時(shí)控制計(jì)算機(jī)每0.4 s接收一次仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)給出的目標(biāo)星、探測平臺(tái)，目標(biāo)星及天線極化狀態(tài)的初始姿態(tài)和位置，并同步轉(zhuǎn)發(fā)給功率探測儀。

3)功率探測儀接收到位置、姿態(tài)及功率信息后，每0.4 s向控制計(jì)算機(jī)傳送一個(gè)功率和波束中心位置數(shù)據(jù)，并同步轉(zhuǎn)發(fā)給仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)。

圖6 Control層類圖設(shè)計(jì)

圖7 注入式仿真系統(tǒng)控制軟件界面

4)仿真評(píng)估計(jì)算機(jī)判斷波束方向探測精度是否滿足要求。

在以上仿真過程中，可以通過打開或關(guān)閉數(shù)傳碼信號(hào)發(fā)生器，得到在有數(shù)傳信號(hào)干擾和無數(shù)傳信號(hào)時(shí)的仿真數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

經(jīng)仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

1)注入式仿真系統(tǒng)使用簡單方便，比暗室等采用其他手段的驗(yàn)證系統(tǒng)造價(jià)低廉。

2)通過控制信號(hào)源(模擬和數(shù)字)和功率計(jì)及其他設(shè)備，可以準(zhǔn)確獲取和記錄功率探測儀反饋的數(shù)據(jù)信息。

3)可與仿真計(jì)算機(jī)注入的目標(biāo)星模擬數(shù)據(jù)信息進(jìn)行清晰的比對(duì)，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證的目的。

圖7是注入式仿真系統(tǒng)的控制軟件界面。從控制界面上可以清晰準(zhǔn)確的對(duì)比仿真計(jì)算機(jī)模擬的目標(biāo)星數(shù)據(jù)和功率探測儀進(jìn)行計(jì)算和處理的反饋數(shù)據(jù)。

作為驗(yàn)證波束方向地面探測試驗(yàn)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，該注入式仿真系統(tǒng)不僅確定地面探測試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)方案可行，而且為主波束探測系統(tǒng)上天正常運(yùn)行、正確工作提供了保證。

[1]李大治，辛 勤，皇甫堪. 單站無源定位注入式仿真系統(tǒng)探討. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)[J]，2007，19(7)：1489-1491

[2]黃海風(fēng)，梁甸農(nóng). 非合作式星載雙站雷達(dá)波束同步設(shè)計(jì)[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2005，26(5) ：606-611

[3]閔桂榮. 世界空間技術(shù)發(fā)展趨勢[A]. 中國科協(xié)學(xué)術(shù)年會(huì)特邀報(bào)告文集[C]. 2000

Injection Simulation System Test of Beam Direction Detecting Technology

Zhang Xiaoyu, Mo Chongjiang, Wang Yanqi, Huang Jianfeng, Zhang Yun, Zhang Qiang

(Beijing Institute of Environmental Feature, Beijing 100854，China)

It describes the system design and software and hardware control and realization of a ground-based beam direction detecting system which is verified through injection simulation system by using power detector in this article. Through inputting simulated power signal from different satellite positions, and angle and position information of target satellite in the platform coordinates system into the injection simulation system, on one hand the ground-based detecting system technical solution feasibility can be defined and relevant detecting devices tested, on the other hand it can verify whether the detection capability against target satellite transmission antenna main lobe can meet the accuracy requirement. The simulation test results have proved the facts that the injection simulation system is easy for operation and cost effective, and through controlling relevant devices can it also record accurately the calculation information on target satellite simulation data which is carried out by the ground-based detecting system.

injection simulation system; beam direction; ground-based detecting

2016-06-16；

2016-08-17。

張曉愚(1980-)，女，上海人，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事雷達(dá)系統(tǒng)主控的研究和工程應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2017)01-0213-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.059

TP311.1

A