相控陣導引頭捷聯(lián)去耦方法及性能分析?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

隨著軍事科技的日益發(fā)展,導彈已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)場上有效的攻防利器,對其作戰(zhàn)性能的要求也越來越高。導引頭作為導彈系統(tǒng)中最重要的組成部分,性能優(yōu)劣直接決定導彈的整體水平。相控陣導引頭具有作戰(zhàn)反應時間短,能同時跟蹤多批次、多目標,以及工作效率高、抗干擾能力強等特點,成為近年來的研究熱點。

相比地面、機載和星載環(huán)境,導彈飛行過程中受彈體機動及外界氣流擾動等影響更為嚴重,俯仰、翻滾、偏航方向存在劇烈的姿態(tài)擾動,并且需要導引頭提供高精度的定位信息。相控陣導引頭固聯(lián)在彈體上,彈體姿態(tài)會影響波束慣性空間指向,這樣導引頭測量信號就會耦合彈體姿態(tài)運動信息,從而影響制導性能[1]。

根據(jù)測量裝置安裝情況的不同,導引頭一般可以分為隨動式和捷聯(lián)式兩類,其中捷聯(lián)式導引頭又可分為半捷聯(lián)和全捷聯(lián)形式。半捷聯(lián)導引頭采用導彈自身慣導系統(tǒng)提供的姿態(tài)信息,但仍然保留慣性穩(wěn)定框架。相控陣導引頭則屬于全捷聯(lián)形式,徹底取消了慣性穩(wěn)定框架及伺服系統(tǒng),必須采用數(shù)學方法實現(xiàn)波束在慣性空間的穩(wěn)定。目前國內外對于隨動式和半捷聯(lián)式導引頭的去耦研究已經(jīng)比較成熟[2],而對于全捷聯(lián)式導引頭的去耦研究雖然取得了一定的成果,但技術還不成熟,成為限制相控陣導引頭彈載應用的難點[3-6]。涉及軍事原因,關于相控陣雷達導引頭波束穩(wěn)定方法國外相關文獻[7]報道很少。

本文首先對相控陣導引頭捷聯(lián)去耦特性進行了研究,分析了導致不完全解耦的因素,繼而給出了一種實用的相控陣導引頭捷聯(lián)去耦方法,通過該方法對影響解耦性能的因素進行了系統(tǒng)的仿真分析,得出滿足工程要求時的約束條件。

1 相控陣導引頭捷聯(lián)去耦特性

彈體隔離性能采用去耦系數(shù)(隔離度)來衡量,去耦系數(shù)越小表示波束穩(wěn)定性能越好。一般來說,彈載環(huán)境工程需求是當彈體作幅值為2°、頻率為5 Hz正弦運動時,去耦系數(shù)小于5%@5 Hz±2°。去耦系數(shù)計算公式如下:

式中,Δqt為慣性空間中波束指向角度變化的幅值,Δ?為彈體擾動角度幅值。

相對于機掃模式,相控陣導引頭捷聯(lián)去耦具有如下特性:

1)瞬時性:相控陣導引頭通過移相器移相、波束空間合成瞬間改變波束指向,不像機掃模式波束指向改變受電機轉動慣性影響,捷聯(lián)去耦時具有響應慣導姿態(tài)變化靈敏、修正波束指向瞬時(μs級)的優(yōu)點。

2)準確性:相控陣導引頭波束指向空間合成,指向精度高;而機掃模式運動機構使用了軸承、齒輪等零部件,軸承側隙、齒輪回程誤差、齒輪傳動精度、軸系同軸度等會引入隨機誤差,降低了修正波束指向的精度。

3)離散性:雖然相控陣導引頭捷聯(lián)去耦具有瞬時和準確的優(yōu)點,但與機掃模式去耦的連續(xù)性不同,相控陣導引頭波束指向改變是離散化的,改變頻率受波控周期約束。在修正波束指向時刻解耦迅速、準確,但在整個波控周期的其他時間內,導引頭不響應彈體擾動進行解耦操作,從而引入了離散化誤差。為了提高相控陣導引頭的隔離度,必須減小波控周期,提高系統(tǒng)響應彈體擾動的解耦頻率。然而波控頻率的增加也意味著系統(tǒng)工作負荷的增加,還要考慮工程實現(xiàn)能力。在彈載環(huán)境下,為克服彈體擾動而對波控周期提出的嚴格要求,是有源相控陣天線在地面、星載、機載等其他應用環(huán)境中的典型區(qū)別之一。

影響相控陣導引頭捷聯(lián)去耦性能的主要因素如圖1所示。

圖1 相控陣導引頭捷聯(lián)去耦性能的影響因素

2 相控陣導引頭捷聯(lián)去耦方法

2.1 實用的相控陣導引頭捷聯(lián)去耦方法

數(shù)字平臺捷聯(lián)去耦方法的原理是由導引頭通過濾波處理給出慣性空間目標視線預測角度,并且利用彈載捷聯(lián)慣導提供的彈體姿態(tài)角信息,通過坐標之間的相互轉換建立導引頭系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定解算矩陣,并對其實施開環(huán)補償,得到在給定的彈體擾動情況下使導彈目標實現(xiàn)穩(wěn)定的補償控制指令,即波束掃描指向偏差的實時修正值,然后把修正后的波束指向反饋給波控計算機,控制導引頭波束掃描的方向,從而實現(xiàn)對波束指向的實時修正。

相控陣導引頭捷聯(lián)去耦方法如圖2所示。

圖2 相控陣導引頭捷聯(lián)去耦方法實現(xiàn)框圖

彈體姿態(tài)擾動信息(偏航角ψS、俯仰角φS和滾轉角γS)由彈上捷聯(lián)慣導測量,并發(fā)送給導引頭,導引頭接口控制系統(tǒng)將慣導姿態(tài)信息加上時標后,轉發(fā)給波控計算機。波控計算機收到慣導姿態(tài)信息后,為消除慣導測量數(shù)據(jù)更新周期TINS對系統(tǒng)捷聯(lián)去耦性能的影響,在波控計算機中對慣導數(shù)據(jù)進行插值計算,并按照時標對傳輸延遲進行補償,插值處理方法如下:

在波控計算機中預設兩個地址——子地址1和子地址0,分別存儲最近兩次從導引頭任務管理系統(tǒng)收到的不同慣導姿態(tài)角數(shù)據(jù)θ1、θ0,并記錄子地址1數(shù)據(jù)更新的時刻t1。當波控計算機從任務管理系統(tǒng)收到姿態(tài)角數(shù)據(jù)θt時,首先與子地址1中數(shù)值θ1比較,如果θt≠θ1,則認為θt為當前時刻慣導姿態(tài)角數(shù)據(jù),并將子地址0數(shù)值更新為θ1,子地址1數(shù)值更新為θt;反之如果θt=θ1,則認為當前時刻慣導數(shù)據(jù)尚未更新,則采用式(2)進行線性插值補償:

式中,t為當前時刻,T0為預知的慣導數(shù)據(jù)更新周期。

捷聯(lián)去耦機制中,預測的目標視線角(目標方位角θa和目標俯仰角θh)由信號處理系統(tǒng)通過濾波處理給出,目標視線角由接口控制系統(tǒng)轉發(fā)給波控計算機。波控計算機利用插值補償后的慣導姿態(tài)信息,通過坐標變換實施開環(huán)補償,快速解算當前彈體擾動情況下使慣性空間波束指向實現(xiàn)穩(wěn)定的天線波束修正角度,得到修正后的天線波束掃描方位角θy和俯仰角θz,然后在波控單元中經(jīng)過查找波位——波控碼表獲得波控碼,以及所有波控碼的同步修正值,最后通過移相器實現(xiàn)天線波束的實時修正,去除彈體姿態(tài)擾動對目標視線指向的影響。

2.2 相控陣導引頭捷聯(lián)去耦性能分析方法

仿真分析方法結合跟蹤回路實際工作情況及捷聯(lián)去耦方法給出,具體如下:

1)首先設定一組頻率5 Hz、幅值2°的正弦數(shù)據(jù)模擬真實的彈體擾動姿態(tài)值,對該姿態(tài)值按慣導更新周期離散化并施加傳輸延遲,模擬導引頭實際收到的慣導測量數(shù)據(jù);

2)設定當前期望目標方位角θa和目標俯仰角θh;

3)模擬波控計算機對慣導測量值進行插值處理;

4)按照波控布相周期,采用當前時刻目標視線角度及當前時刻插值后的慣導測量值進行去耦補償,坐標變換后得到修正后的波束方位角θy和波束俯仰角θz(實際工作中據(jù)此通過查波位——波控碼進行布相);

5)根據(jù)修正后的波束角度及當前時刻真實的彈體擾動姿態(tài)值解算得到實際的慣性空間目標視線角度(目標方位角θ′a和目標俯仰角θ′h),與期望目標視線角度進行比較,得到由于不完全解耦造成的波束慣性空間誤差角Δqt,進而根據(jù)式(1)計算去耦系數(shù)。

3 仿真實驗及分析

相控陣導引頭捷聯(lián)去耦所需要的彈體姿態(tài)信息由彈上慣導測量數(shù)據(jù)給出,自身無法消除該測量誤差,因此在性能分析時暫不考慮。重點考查慣導數(shù)據(jù)更新周期TINS、慣導數(shù)據(jù)傳輸延遲TD、慣導數(shù)據(jù)插值周期TC、波控布相周期TB帶來的去耦系數(shù)影響。天線方向圖引入的誤差很小,可以忽略。

根據(jù)工程經(jīng)驗,對仿真參數(shù)有如下假設:

1)慣導數(shù)據(jù)更新周期TINS:2 ms,5 ms;

2)控制系統(tǒng)中慣導數(shù)據(jù)傳輸延遲TD≤3 ms;

3)波控布相周期TB:1～20 ms。

如前所述,相控陣導引頭捷聯(lián)去耦存在離散化誤差。故僅在波束控制時刻統(tǒng)計去耦性能并不準確,會造成統(tǒng)計值比實際情況偏好的結果。在去耦系數(shù)計算過程中,采用增加統(tǒng)計頻率方式可以對離散化誤差較為精確統(tǒng)計,在每個波控周期內求取多次波束慣性空間波束指向偏差的均方根,采用該值進行去耦系數(shù)計算。

3.1 慣導數(shù)據(jù)更新周期影響分析

為消除慣導測量數(shù)據(jù)更新周期TINS對系統(tǒng)的捷聯(lián)去耦性能存在影響,在捷聯(lián)去耦過程中對慣導數(shù)據(jù)進行了插值計算(插值周期TC=0.5 ms)。從圖3可以看出,捷聯(lián)去耦性能隨著TINS增加而迅速惡化,而對慣導數(shù)據(jù)進行插值計算后,受TINS影響顯著變小。當TINS＜5 ms時,系統(tǒng)的去耦性能趨于穩(wěn)定。

圖3 去耦系數(shù)隨T INS的變化(T D=1 ms,T B=2 ms,T C=0.5 ms)

TC選擇過大,系統(tǒng)捷聯(lián)去耦性能改善可能不明顯;而TC選擇過小,則會增加系統(tǒng)運算量,給工程實現(xiàn)帶來難度。下面通過仿真分析對插值周期TC的選取給出建議。圖4給出了TINS為5 ms時,去耦系數(shù)隨TC變化的曲線。可見當TC＜0.5 ms時,系統(tǒng)捷聯(lián)去耦性能趨于穩(wěn)定。

圖4 去耦系數(shù)隨T C的變化(T INS=5 ms,T D=1 ms,T B =2 ms)

3.2 慣導數(shù)據(jù)傳輸延遲影響分析

對慣導數(shù)據(jù)傳輸延遲TD對捷聯(lián)去耦性能影響情況進行分析,假定傳輸延遲從0～3 ms變化,仿真結果如圖5所示。可見系統(tǒng)捷聯(lián)去耦性能隨著TD的增大下降明顯。當TD＞1 ms時,已經(jīng)不能滿足5%去耦系數(shù)要求。

3.3 波控布相周期影響分析

波控布相周期影響分析仿真結果如圖6(a)所示。由于離散性,捷聯(lián)去耦性能隨著TB的增大迅速下降,僅在TB≤2 ms時方位和俯仰方向去耦系數(shù)全部滿足5%的要求,TB=2.5 ms時方位角已經(jīng)臨界。在圖6(b)中,對慣導數(shù)據(jù)的傳輸延遲進行了補償處理,假定慣導傳輸延遲可以全部補償?shù)魰r,對波控布相周期的要求可以降低到4 ms。

圖5 去耦系數(shù)隨T D的變化(T INS=5 ms,T C=0.5 ms,T B=2 ms)

圖6 去耦系數(shù)隨T B的變化

3.4 滿足工程需求條件

變化不同的參數(shù),當慣導數(shù)據(jù)延遲未進行補償時,計算結果如表1所示?？梢钥闯?控制傳輸延遲≤1 ms、波控周期≤2 ms時,去耦系數(shù)滿足5%的工程要求,其中序號3解耦前后角度誤差情況如圖7所示。假定延遲影響可以全部消除,計算結果如表2所示?？梢钥闯?如果可以很好地控制慣導傳輸延遲,當波控周期≤4 ms時,去耦系數(shù)即滿足5%的要求,其中對應序號1解耦前后角度誤差情況如圖8所示。

表1 慣導延遲未補償去耦系數(shù)計算

圖7 目標視線角度及誤差(T INS=5 ms,T D=1 ms,T C=0.5 ms,T B=2 ms)

表2 慣導延遲完全補償后去耦系數(shù)計算

圖8 目標視線角度及誤差(T INS=5 ms,T C=0.5 ms,T B=4 ms)

4 結束語

本文針對相控陣導引頭易受彈體擾動影響波束指向的問題,分析了相控陣導引頭捷聯(lián)去耦的特性,給出了一種實用的捷聯(lián)去耦方法,并對影響捷聯(lián)去耦性能的因素進行了較為系統(tǒng)的分析,給出了工程化設計時的建議。通過理論分析和工程經(jīng)驗可知,彈載相控陣導引頭的捷聯(lián)去耦是可實現(xiàn)的,下一步將通過研制原理樣機,對影響分析的正確性進行驗證,并進一步完善捷聯(lián)去耦方案。

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