南京電子技術(shù)研究所 戴海青 宋 赟 王東岳

運動平臺相控陣?yán)走_(dá)的陣面控制研究

南京電子技術(shù)研究所 戴海青 宋 赟 王東岳

運動平臺上的相控陣?yán)走_(dá)是相控陣?yán)走_(dá)的一個重要方向，運動平臺上剛性連接條件下的相控陣波控技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一。在分析運動平臺的目標(biāo)跟蹤指向特點的基礎(chǔ)上，提出了波束指向補(bǔ)償系統(tǒng)方案，對其算法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，并通過計算機(jī)仿真驗證了算法的有效性。

波控；相控陣?yán)走_(dá)；運動平臺

0 引言

運動平臺為實現(xiàn)目標(biāo)探測功能,通常安裝雷達(dá)等探測設(shè)備，以陣列雷達(dá)為例，陣列天線一般與平臺固連。在跟蹤、搜索過程中，波束控制分系統(tǒng)按雷達(dá)控制計算機(jī)指令控制雷達(dá)波束進(jìn)行掃描，使得目標(biāo)處于波束探測范圍內(nèi)。

當(dāng)運動平臺相控陣?yán)走_(dá)在探測過程，由于受機(jī)動、外界擾動以及目標(biāo)與平臺相對運動的影響，目標(biāo)有可能脫離波束探測范圍，由此嚴(yán)重影響著雷達(dá)對目標(biāo)的截獲與跟蹤。所以對在運動平臺中剛性連接條件下的波控技術(shù)進(jìn)行研究，實現(xiàn)天線波束探測范圍的穩(wěn)定，是運動平臺相控陣?yán)走_(dá)研制過程中迫切需要加以解決的問題。

1 問題分析

建立地理坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點O取在地面，Xge軸指向真北，Yge軸垂直向上，Zge軸指向正東，即北-天-東坐標(biāo)系，見圖1。是目標(biāo)在地理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，是探測平臺在地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)。是在地理坐標(biāo)系下，平臺到目標(biāo)指向，也即跟蹤波束最佳指向。

圖1 地理坐標(biāo)系

波束控制需要根據(jù)平臺坐標(biāo)系下目標(biāo)指向[3]（），建立平臺坐標(biāo)系，見圖2。坐標(biāo)原點O取在平臺重心，Xac軸與平臺縱軸線一致，指向平臺前端方向為正；Yac軸在平臺對稱平面內(nèi)，垂直于平臺平面，指出平臺背向為正；Zac軸垂直于平臺對稱平面，指向平臺右側(cè)為正。機(jī)體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系的關(guān)系可由俯仰角、橫滾角和航向角確定。

其中航向角(ψ)(heading)，為平臺坐標(biāo)系Xac在水平面內(nèi)的投影與地理坐標(biāo)系Xge軸，即與真北的夾角，以真北為基準(zhǔn)， 順時針(從上向下看)為正；俯仰角(θ)(pitch)--平臺縱軸Xac與水平面之間的夾角，平臺縱軸在水平面之上為正；橫滾角(φ)(roll)—由平臺偏航軸Zac與包含縱軸的鉛垂平面之間的夾角決定。 偏航軸在鉛垂面左側(cè)為正(從后向前看)，即平臺右側(cè)(從后向前看)往下為正。

圖2 平臺坐標(biāo)系

地理坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系下目標(biāo)指向有如下關(guān)系[1][2]：

當(dāng)平臺姿態(tài)，目標(biāo)與平臺相對位置隨時間變化時有：

2 修正算法

隨著慣導(dǎo)器件的發(fā)展，慣性組件可以不需要平臺隔離，就能承受較大的角速度和角加速度。另外，數(shù)字計算技術(shù)的快速發(fā)展，也使得以數(shù)字插值方式對擾動造成的天線波束指向偏差實施實時修正較易實現(xiàn)，可以采用下圖所示波束指向補(bǔ)償系統(tǒng)框圖。

圖3 波控補(bǔ)償系統(tǒng)框圖

圖3所示中，波控補(bǔ)償模塊接收雷達(dá)主控計算機(jī)給出的當(dāng)前目標(biāo)跟蹤波束指向角以及目標(biāo)距離，速度信息，并從捷聯(lián)慣導(dǎo)獲取實時的姿態(tài)角及其時間導(dǎo)數(shù)，通過差值計算得到天線指向偏差的實時偏航和俯仰修正值，然后把結(jié)果及時傳遞波束控制分系統(tǒng)。

一般的補(bǔ)償計算過程為：t0時刻捷聯(lián)慣導(dǎo)分系統(tǒng)更新當(dāng)前姿態(tài)角信息，姿態(tài)角一階，二階時間導(dǎo)數(shù)值，雷達(dá)主控計算機(jī)給出的當(dāng)前目標(biāo)跟蹤波束指向角以及目標(biāo)距離，速度信息（即），波控補(bǔ)償模塊根據(jù)式（3），（4），（6），（7），計算，，按式（10）求和，結(jié)構(gòu)作為得到結(jié)果作為實時波束指向角發(fā)給波控分系統(tǒng)形成空間波束。等到下一次捷聯(lián)慣導(dǎo)分系統(tǒng)更新姿態(tài)角信息或者雷達(dá)主控計算機(jī)給出的當(dāng)前目標(biāo)跟蹤波束指向角以及目標(biāo)距離，相對速度信息，波控補(bǔ)償模塊將自動更新參數(shù)繼續(xù)計算。

3 仿真

為驗證算法，現(xiàn)做一簡單仿真，假設(shè)有一平臺在大地坐標(biāo)系繞原點O，在XOZ平面作勻速圓周運動，圓周半徑為1。平臺（機(jī)體）坐標(biāo)系X軸始終與運動方向重合，Z軸始終指向大地坐標(biāo)系原點O，Y軸始終與大地坐標(biāo)系Y軸平行且同向。

假設(shè)在大地坐標(biāo)系（1，1，1）處有一靜止目標(biāo)，當(dāng)真實目標(biāo)指向更新速度與修正速度之比為1:4（即真實目標(biāo)指向更新間隔是修正間隔的4倍），用式（11），計算運動一周時間內(nèi)指向誤差，其中是修正計算出的估值，是真實值。

圖4 不修正條件下的指向誤差

圖5 僅考慮平臺姿態(tài)擾動的修正后的指向誤差

圖6 同時考慮平臺姿態(tài)擾動和相對位移的修正后的指向誤差

同時考慮平臺姿態(tài)擾動和相對位移的補(bǔ)償后的誤差情況。

4 結(jié)論

當(dāng)運動平臺相控陣?yán)走_(dá)在探測過程，由于受機(jī)動、外界擾動以及目標(biāo)與平臺相對運動的影響，需要對波束指向作補(bǔ)償。補(bǔ)償計算的一般過程是，接收雷達(dá)主控計算機(jī)給出的當(dāng)前目標(biāo)跟蹤波束指向角以及目標(biāo)距離，速度信息，并從捷聯(lián)慣導(dǎo)獲取實時的姿態(tài)角及其時間導(dǎo)數(shù)，通過修正計算得到天線指向的實時修正值，然后把結(jié)果及時傳遞波束控制分系統(tǒng)。仿真說明了算法的有效性。

[1]李秋生.相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦技術(shù)研究[M].制導(dǎo)與引信,2005,26(2):19-22.

[2]黃廷祝,成孝予.線性代數(shù)與空間解析幾何[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,1997．

[3]張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1994.

Beam-Steering Technique Research For Phased Array Radars On Moving Platform

Dai hai-qing，Song Yun，Wang dong-yue
（Nanjing Research Institute of Electronics Technology Nanjing 210039）

There is a huge need of Phased Array Radars On Moving Platform，which depends on the development of Beam-Steering Technique.Based on the analyzing of characteristics of Phased Array Radars On Moving Platform，a new Beam-Steering Technique is presented．The algorithmic validity is proved by computer simulation．

Beam-Steering；phased array radar；Moving Platform

戴海青（1983—），男，碩士，江蘇南京人，工程師，研究方向：雷達(dá)波控分系統(tǒng)的設(shè)計。