角跟蹤信號的動(dòng)態(tài)模擬

蘭宏志

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

在測控系統(tǒng)的研制和應(yīng)用中,總希望有一套動(dòng)態(tài)模擬[1]設(shè)備來驗(yàn)證天伺饋[2-3]系統(tǒng)的性能和狀態(tài),特別是對目標(biāo)進(jìn)入天線波束主瓣或者旁瓣時(shí)角跟蹤[4]系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)的特征,需要在非任務(wù)狀態(tài)下高度逼真地模擬出來,對操作人員進(jìn)行訓(xùn)練的同時(shí)也檢驗(yàn)了系統(tǒng)的狀態(tài)。角度動(dòng)態(tài)模擬要求數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性好,以避免誤差積累引起天線飛車。

1 角跟蹤信號動(dòng)態(tài)模擬的原理

角跟蹤系統(tǒng)提取角誤差信號的過程如圖1所示,在接收單頻信號時(shí),以天線口徑面為XOY平面建立正交坐標(biāo)系[5]。

圖1 角誤差信號示意圖Fig.1 Angle error signal diagram

當(dāng)θ很小時(shí),則和路信號 s∑(t)表示為

差路信號sΔ(t)表示為

式中,ωc為單頻信號頻率,A1為和路信號幅度,A2為差路信號幅度,μ為天線差斜率,θ為入射電波與天線電軸線的夾角,φ為入射電波在XOY平面的投影與X軸的夾角。

和差信號相乘:

和信號移相90°與差信號相乘:

由上式可知,和差信號相乘,進(jìn)行相干鑒相,通過低通濾波可以提取角誤差信號。

方位誤差電壓UA和俯仰誤差電壓UE分別為

通過以上推導(dǎo)可以看出,方位、俯仰角誤差信號與目標(biāo)偏離天線電軸的角度 θ成正比。天線饋源輸出的和差信號幅度差反應(yīng)了天線指向與目標(biāo)之間的角度差,于是可以通過控制和差信號的輸出幅度來模擬天線指向與目標(biāo)之間的角度差。

2 角度模擬實(shí)現(xiàn)

由于天線饋源輸出的和差信號幅度差反映了天線指向與目標(biāo)之間的偏移角,跟蹤接收機(jī)提取角誤差信號控制天線指向,可以建立和差幅度、角度偏移、角誤差信號之間的對應(yīng)關(guān)系,通過數(shù)控衰減器控制和差信號的幅度差,來模擬天線指向與目標(biāo)之間的角度差,實(shí)現(xiàn)角度模擬。

動(dòng)態(tài)模擬角度特性時(shí),根據(jù)和差歸一化后的天線方向圖計(jì)算出方位角度差、俯仰角度差對應(yīng)的和差路幅度差,進(jìn)而由和差路幅度差推算出對應(yīng)的數(shù)控衰減器衰減量,將這種對應(yīng)關(guān)系存入查找表中,模擬器接收軌道軟件的角度信息和天伺饋的實(shí)時(shí)角度信息,求出兩者之間的差值,根據(jù)角度差值,在查找表中查對應(yīng)的衰減量,通過控制模擬器中的數(shù)控衰減器的衰減量就可以模擬角度變化時(shí)和差信號的幅度變化,實(shí)現(xiàn)角度模擬。角度模擬信號通過跟蹤接收機(jī)提取角誤差電壓控制天線,按軌道軟件提供的角度變化特性運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)角跟蹤閉環(huán)。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。在完成信號幅度隨距離遠(yuǎn)近變化模擬后,射頻信號一分為二,一路作為和路信號經(jīng)和路衰減器輸出,另一路作為差路信號再一分為二作為方位、俯仰差路信號,分別經(jīng)方位、俯仰衰減及0/π控制后進(jìn)行正交合成為幅度受控的角度模擬差路信號,和差衰減器的范圍和角度可以根據(jù)角度模擬的范圍和角度設(shè)計(jì)。

圖2 角度模擬原理框圖Fig.2 Angle dynamic simulation schematic diagram

2.1 主瓣模擬

當(dāng)天線指向與目標(biāo)之間的偏移角較小時(shí),即目標(biāo)在天線主波束內(nèi),和差歸一化后的天線方向圖可以簡化為圖3所示的模型。

圖3 偏角較小時(shí)天線和差方向圖Fig.3 Antenna sum and difference direction diagram in smaller slanting angle

和路信號衰減器根據(jù)差斜率指標(biāo)置固定值,差路信號衰減器的衰減量,根據(jù)軌道參數(shù)中的角度數(shù)據(jù)與當(dāng)前天線的實(shí)際角度差由方向圖中角度偏移與和差幅度之間的對應(yīng)關(guān)系推算出,跟蹤接收機(jī)提取角誤差信號,對天線進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)角度模擬功能。

2.2 旁瓣模擬

當(dāng)天線指向與目標(biāo)之間的偏移角較大時(shí),即目標(biāo)已到天線副瓣內(nèi),可采用圖4所示方向圖模型。和路信號衰減器及差路信號衰減器的衰減量,都要根據(jù)軌道參數(shù)中的角度數(shù)據(jù)與當(dāng)前天線的實(shí)際角度差,由方向圖中角度偏移與和差幅度之間的對應(yīng)關(guān)系推算出,跟蹤接收機(jī)提取角誤差信號,對天線進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)角度模擬功能。

圖4 偏角較大時(shí)天線和差方向圖Fig.4 Antenna sum and difference direction diagram in large slanting angle

3 角度模擬精度分析

角度模擬的實(shí)現(xiàn)主要由和差信號衰減器實(shí)現(xiàn),衰減器的量程、控制精度以及幅相一致性都會(huì)影響角度模擬的精度。角度模擬的和差方向圖一般為近似模型,且實(shí)際模擬時(shí)都是把方向圖模型離散化,取一些離散點(diǎn)來建立偏移角與和差衰減量對照表,把軌道參數(shù)中的角度作為目標(biāo)位置,天線當(dāng)前的角度作為實(shí)際角度,兩者之差就是本次需要控制的角度,通過對照表查找到和差路的衰減量進(jìn)行控制,整個(gè)過程中模型的構(gòu)建、軌道參數(shù)控制點(diǎn)的疏密、控制的實(shí)時(shí)性都會(huì)影響角度模擬的角度,特別是控制的實(shí)時(shí)性不好造成誤差積累可能導(dǎo)致跟蹤曲線無法收斂。

對于入射電波與天線電軸線的夾角 θ的模擬,主要通過控制衰減器的衰減量實(shí)現(xiàn),其控制精度與數(shù)控衰減器的精度有關(guān)。假設(shè)在 A及μ不變的情況下 ,θ1對應(yīng)幅值 A1,θ2=θ1+Δθ對應(yīng)幅值 A2,即A1=Aμ θ1,A2=Aμ θ2=Aμ θ1+Aμ Δθ,則有衰減值

如果將θ1理解為需要模擬的角度,θ2理解為實(shí)際控出的角度,則上式說明夾角θ的模擬精度不僅與衰減器的角度有關(guān),也和模擬角度的大小有關(guān)。

如果目標(biāo)位置與天線軸之間既有方位又有俯仰偏角時(shí),θE與θA并不相等,需要進(jìn)行正割補(bǔ)償,滿足θA=θE·sec ,其示意圖如圖5所示。

圖5 正割補(bǔ)償示意圖Fig.5 Sec compensation diagram

4 結(jié)束語

本文闡述了角度模擬的原理以及主瓣和旁瓣模擬在工程中的實(shí)現(xiàn)方法,并對引起角度模擬誤差的因素進(jìn)行了分析,通過在陸基和?；鶞y控系統(tǒng)中應(yīng)用角度動(dòng)態(tài)模擬設(shè)備,驗(yàn)證了根據(jù)天線方向圖中角度偏移與和差信號幅度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行角跟蹤信號動(dòng)態(tài)模擬的設(shè)想,處理的實(shí)時(shí)性和跟蹤精度能夠滿足角跟蹤系統(tǒng)要求,達(dá)到了驗(yàn)證系統(tǒng)功能檢驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)和訓(xùn)練操作人員的目的。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,能否用全數(shù)字方法進(jìn)行角跟蹤信號動(dòng)態(tài)模擬有待進(jìn)一步研究。

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