基于無線電測(cè)向技術(shù)的彈載記錄儀信標(biāo)

崔麗麗 ，丁永紅，尤文斌，馬鐵華

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）

0 引言

運(yùn)載飛行器、導(dǎo)彈的研制在航空航天事業(yè)的發(fā)展及未來戰(zhàn)爭(zhēng)精確打擊需求中至關(guān)重要［1］。而任何運(yùn)載飛行器從初期研制到最后定型，都需要經(jīng)歷多次現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射試驗(yàn)和系統(tǒng)改進(jìn)，而有效的彈載記錄儀能夠準(zhǔn)確存儲(chǔ)記錄每次發(fā)射試驗(yàn)的各種環(huán)境參數(shù)及載體的工作狀態(tài)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)［2］。當(dāng)前彈載記錄儀因試驗(yàn)往往落在沙漠、戈壁等自然環(huán)境復(fù)雜的地方，使得人工搜尋工作變得相對(duì)困難。僅依靠人眼搜尋，會(huì)出現(xiàn)搜尋成本高、時(shí)間長(zhǎng)、直接影響工程進(jìn)度等問題［3］。現(xiàn)階段記錄儀回收大多采用釋放飄帶、GPS、北斗衛(wèi)星等定位，但沒有GPRS基站的偏僻區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)控不再可行。GPS、北斗短信報(bào)文功能的使用需要與相關(guān)部門進(jìn)行專門申請(qǐng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可靠性也是其重要的制約因素［4-7］。另一方面，試驗(yàn)后彈載記錄儀著地時(shí)具有很高的加速度，記錄儀中電路模塊的抗沖擊能力也是試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵［8］。本文針對(duì)此問題，設(shè)計(jì)了基于無線電測(cè)向技術(shù)的新型抗沖擊彈載記錄儀信標(biāo)。

1 無線電測(cè)向原理

無線電測(cè)向定位過程，就是通過無線電波的發(fā)射與接收，測(cè)量目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射機(jī)的方向、距離等定位參量，估計(jì)目標(biāo)位置方向的過程。其中振幅測(cè)向方法是根據(jù)測(cè)向天線上感應(yīng)的電壓幅度具有確定的方向特性，當(dāng)天線旋轉(zhuǎn)或等效旋轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出電壓幅度按極坐標(biāo)方向圖而變化這一原理來進(jìn)行測(cè)向，因而振幅法測(cè)向又被稱為極坐標(biāo)方向圖測(cè)向。根據(jù)檢測(cè)來波信號(hào)幅值大小又可以分為最小信號(hào)測(cè)向法、最大信號(hào)測(cè)向法和比幅測(cè)向法［9］。

最大信號(hào)測(cè)向法要求天線具有尖銳的方向特性，測(cè)向時(shí)旋轉(zhuǎn)天線，當(dāng)測(cè)向機(jī)的輸出端出現(xiàn)最大信號(hào)值時(shí)，說明天線極坐標(biāo)方向圖主瓣的徑向中心軸指向來波方位，根據(jù)此時(shí)天線主瓣的指向就可以確定目標(biāo)信號(hào)來波的方位值，如圖1所示。

圖1 最大信號(hào)法測(cè)向示意圖Fig.1Schematic diagram of direction finding based maximum signal method

2 總體方案及信標(biāo)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

彈載記錄儀無線電信標(biāo)是目標(biāo)搜尋工作的關(guān)鍵部分。從低功耗考慮，其總體工作流程為：1）無人機(jī)攜帶的發(fā)射機(jī)持續(xù)發(fā)射以1 Hz的頻率發(fā)送搜索信號(hào)；2）彈載記錄儀信標(biāo)在落地后進(jìn)入接收狀態(tài)（10s開啟一次，工作2s后停止，過10s再開啟，如此循環(huán)），直到接收到喚醒信號(hào)后進(jìn)入發(fā)射模式，連續(xù)工作10min后再次進(jìn)入接收模式，等待喚醒信號(hào)，如此循環(huán)。3）信標(biāo)機(jī)收到喚醒信號(hào)會(huì)連續(xù)發(fā)射信標(biāo)信號(hào)，無人機(jī)檢測(cè)到各個(gè)方位的信號(hào)后，通過串口將強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的GPS信息發(fā)送至飛行控制端；4）飛行控制端收到此信息后，大致鎖定信標(biāo)機(jī)所在方位。此范圍要求在以信標(biāo)機(jī)為中心，半徑為1km 的范圍內(nèi)；5）在此1km范圍內(nèi)以手持機(jī)快速定位回收記錄儀。

記錄儀外殼設(shè)計(jì)為六面體結(jié)構(gòu)，微帶貼片天線安裝于外殼的六個(gè)表面，信標(biāo)電路與記錄儀電路安裝于殼內(nèi)。如圖2所示。

圖2 彈載記錄儀信標(biāo)效果圖Fig.2 Effect diagram of missile borne beacon

2.2 信標(biāo)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

彈載記錄儀無線電信標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要依靠無線電信號(hào)的發(fā)射和接收，測(cè)向定位的實(shí)現(xiàn)主要包括信標(biāo)發(fā)射機(jī)模塊、手持接收機(jī)模塊及必要的低噪聲放大接收組件，其構(gòu)成框圖如圖3所示。

圖3 測(cè)向系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig.3 Structure diagram of direction finding system

信標(biāo)發(fā)射機(jī)基本上由基準(zhǔn)晶振、頻率合成器、混合信號(hào)微控制器、功率放大器、六個(gè)天線選擇開關(guān)、饋線和微帶發(fā)射天線及電源等組成。發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)組成圖如圖4所示。

圖4 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)組成圖Fig.4 Structure diagram of transmitter

發(fā)射機(jī)選用Silicon Labs混合信號(hào)微控制器C8051F330、寬帶頻率合成器ADF4350和HCM245選擇開關(guān)等芯片構(gòu)成硬件電路，硬件電路圖及實(shí)物如圖5所示。

圖5 發(fā)射機(jī)硬件電路及實(shí)物圖Fig.5 Hardware circuit and physical diagram of transmitter

3 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 抗沖擊性仿真分析

記錄儀跌落時(shí)根據(jù)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，從約500m 高空跌落時(shí)經(jīng)常會(huì)跌落到彈著點(diǎn)的沙土上。在仿真計(jì)算時(shí)按照此條件進(jìn)行分析計(jì)算，以此考察記錄儀外殼的抗沖擊性能。由以往現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)得知，記錄儀從500m 高空跌落到地面時(shí)的速度接近時(shí)速300m／s，以下仿真分析時(shí)以300 m／s的速度進(jìn)行分析計(jì)算。

彈載記錄儀外殼材料采用硬質(zhì)材料35CrMnSiA，其屈服極限為1 200 MPa，切線模量為2GPa，選用塑性隨動(dòng)硬化模型Plastic Kinermatic；灌封選用環(huán)氧樹脂膠材料模型為MAT＿ELASTIC，其彈性模量Ex=2GPa，泊松比u=0.4，質(zhì)量密度=1 100kg／m3［10］。圖6為選取記錄儀的碰撞接觸面上的安裝貼片天線位置的5 個(gè)質(zhì)點(diǎn)H5059、H5072、H6457、H10397、H11123 進(jìn)行等效彈塑應(yīng)力分析，曲線如圖7所示。

圖6 跌落后接觸面質(zhì)點(diǎn)的選取Fig.6 Dot selection of contact surfaces after falling

圖7 選取質(zhì)點(diǎn)在碰撞方向的等效彈塑應(yīng)力曲線Fig.7 The equivalent elastic-plastic stress curves of selection dot on collision direction

仿真表明，質(zhì)點(diǎn)H11123 處最大等效應(yīng)變?yōu)?.47%，符合跌落經(jīng)驗(yàn)值Effect Plastic Strain范圍在（0.3～0.5）%的范圍。

天線按60×60×1.6mm3尺寸建立仿真模型，數(shù)值模型采用cm-g-us單位制。天線PCB 板材料參數(shù)［11］：彈性 模 量Ex=11.1 GPa，質(zhì) 量 密 度=1 938kg／m3，泊松比u=0.28。如圖8 所示，選取記錄儀的碰撞接觸面上的安裝貼片天線位置的5個(gè)質(zhì)點(diǎn)H12702、H12399、H13267、H12317、H13029進(jìn)行等效彈塑應(yīng)力分析，曲線如圖9所示。仿真結(jié)果表明最大的等效塑性應(yīng)變值為0.43%，符合跌落經(jīng)驗(yàn)塑性應(yīng)變0.3%～0.5%的范圍。

圖8 記錄儀跌落接觸面天線選取質(zhì)點(diǎn)Fig.8 Dot selection of contact surface antenna after falling

圖9 選取質(zhì)點(diǎn)在碰撞方向的等效彈塑應(yīng)力曲線Fig.9 The equivalent elastic-plastic stress curves of selection dot on collision direction

3.2 發(fā)射機(jī)模塊馬歇特落錘試驗(yàn)

馬歇特錘試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)傳感器和信標(biāo)發(fā)射機(jī)安裝位置如圖10所示。

圖10 發(fā)射機(jī)模塊馬歇特落錘試驗(yàn)示意圖Fig.10 Schematic diagram of transmitter Marshall drop hammer test

試驗(yàn)過程：將信標(biāo)發(fā)射機(jī)安裝固定在馬歇特錘頭，B＆K 公司的8309作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器也安裝固定在錘頭上，其靈敏度為0.048Pc／g，將電荷放大器的靈敏度設(shè)置為相同的值，達(dá)到歸一化的作用，利用多功能示波器采集加速度信號(hào)。試驗(yàn)時(shí)將擊錘升至與水平成一定的角度，然后靠重錘的重力，使擊錘很快回轉(zhuǎn)，打擊在鐵砧上而產(chǎn)生沖擊加速度，此時(shí)傳感器產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)通過電荷放大器最終由數(shù)據(jù)采集卡記錄。試驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)鐵氈上氈墊的厚度和擊錘的高度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度信號(hào)脈寬與幅值的調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)中共對(duì)信標(biāo)發(fā)射模塊進(jìn)行了6 次落錘試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 6次試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總Tab.1 Test data of 6experiments

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，發(fā)射機(jī)受到的最大沖擊加速度為2.83×104g。每次試驗(yàn)完成后，對(duì)發(fā)射機(jī)電路模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試顯示其工作狀態(tài)正常。因此，信標(biāo)發(fā)射機(jī)滿足沖擊要求。

3.3 記錄儀信標(biāo)測(cè)向定位試驗(yàn)

為了檢測(cè)記錄儀信標(biāo)的性能，主要包括手持搜索機(jī)與記錄儀信標(biāo)的工作距離以及在測(cè)向定位過程中，手持搜索機(jī)與信標(biāo)機(jī)之間的方向性測(cè)試兩個(gè)方面。通過在野外空曠環(huán)境下充分模擬實(shí)際試驗(yàn)條件下的搜索過程，來檢測(cè)監(jiān)測(cè)信標(biāo)機(jī)的工作狀態(tài)。

試驗(yàn)的具體過程為：記錄儀信標(biāo)位置已知，以記錄儀信標(biāo)位置為起點(diǎn)，對(duì)無遮擋和部分遮擋記錄儀（圖11 所示）在距起點(diǎn)1 200 m、1 000 m、800 m、500m等直線距離處進(jìn)行各個(gè)方向的信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試。

圖11 記錄儀信標(biāo)無遮擋和部分遮擋示意圖Fig.11 Schematic diagram of borne beacon which unobstructed and partial occlusion

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制成坐標(biāo)系下的曲線，方便直觀的觀察不同距離下手持接收機(jī)的強(qiáng)度和幅值，所繪制的坐標(biāo)曲線分別如圖12、圖13所示。

圖12 記錄儀信標(biāo)無遮擋時(shí)不同距離的測(cè)試組圖Fig.12 Test curves at different distances of unobstructed borne beacon

圖13 發(fā)射機(jī)部分遮擋時(shí)不同距離的測(cè)試組圖Fig.13 Test curves at different distances of partial occlusion borne beacon

圖12中的數(shù)據(jù)曲線表明，信標(biāo)發(fā)射機(jī)無任何明顯阻擋情況下：1）能夠滿足1km 搜索距離；2）通過手持搜索機(jī)能較好地完成既定范圍內(nèi)的測(cè)向定位過程；3）手持機(jī)接收天線在與發(fā)射機(jī)信源在的±30°范圍內(nèi)信號(hào)指向明顯，測(cè)向效果良好；4）在與發(fā)射機(jī)信號(hào)源形成的±60°夾角范圍以外，接收信號(hào)能力急劇下降，通過上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明接收機(jī)方向指向明確；5）與發(fā)射機(jī)信源成垂直即±90°、反向180°夾角下，只有部分因周圍山體反射而接收到的部分小的信號(hào)之外都是無信號(hào)狀態(tài)，符合方向性設(shè)計(jì)要求；6）在無障礙條件下，信標(biāo)發(fā)射機(jī)測(cè)向功能效果明顯，在1.2km距離下，對(duì)應(yīng)最大幅值3.63V，在接收天線接收角度之外，幅值下降明顯，具有良好的方向性。

圖13中的數(shù)據(jù)曲線表明，信標(biāo)發(fā)射機(jī)部分被沙土阻擋時(shí)：1）手持機(jī)接收到的信號(hào)強(qiáng)度明顯減弱，在800m 的距離下測(cè)向定位幅值逐漸恢復(fù)；2）附近障礙物對(duì)信標(biāo)發(fā)射機(jī)的影響比較大，其接收幅值、測(cè)向距離都受到了不同程度的影響。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于無線電測(cè)向技術(shù)的新型抗沖擊彈載記錄儀信標(biāo)。該信標(biāo)在傳統(tǒng)GPS、GPRS及北斗衛(wèi)星定位受限時(shí)，能有效指示記錄儀方位，測(cè)向定位效果良好，并能快速回收彈載記錄儀。仿真及現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了信標(biāo)發(fā)射機(jī)的抗沖擊性和高效的測(cè)向性能，為以后記錄儀搜尋提供了新的方法。擬將無線電測(cè)向和其他搜尋方法結(jié)合，應(yīng)用效果可能更好，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

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