被動微波-紅外雙模復合制導交班誤差分析

樊鵬飛，歐陽中輝

(海軍航空工程學院，煙臺 264001)

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被動微波-紅外雙模復合制導交班誤差分析

樊鵬飛，歐陽中輝

(海軍航空工程學院，煙臺 264001)

針對艦空導彈采用雙模復合制導導引頭的特點，介紹了旋轉式相位干涉儀的測角原理和紅外玫瑰掃描跟蹤目標的實現(xiàn)方法；在分析艦空導彈交班流程的基礎上，對被動微波/紅外制導交班誤差進行了分類和計算，分析求解出導彈交班總誤差；通過實例仿真，討論了各誤差源對交班誤差的影響。仿真結果可為艦空導彈復合制導交班及導引頭設計提供參考。

復合制導；交班；誤差分析；艦空導彈

0 引 言

現(xiàn)代海戰(zhàn)場環(huán)境復雜多變，反艦導彈突防技術日益進步，艦空導彈所面臨的威脅層出不窮。隨著打擊距離的增加和復雜條件下抗干擾要求的不斷提高，具有較強抗干擾能力的多模復合制導技術是艦空導彈制導系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1]。采用被動微波/紅外雙模復合制導的艦空導彈，能夠探測和跟蹤反艦導彈的微波輻射信號和紅外輻射信號。被動微波制導體制可以有效增大導彈的探測距離，但也存在著殺傷概率低、脫靶量大的缺點，因此在末制導中使用紅外制導體制以保證艦空導彈有較高的制導精度。在被動微波子系統(tǒng)引導紅外子系統(tǒng)截獲目標的過程中，不可避免涉及到交班問題，能否順利交班與復合導引頭的誤差密切相關，因此對雙模復合制導交班誤差的分析研究顯得十分必要。

1 復合導引頭信號獲取機理分析

1.1 旋轉式相位干涉儀測角原理

艦空導彈被動微波子系統(tǒng)采用旋轉式相位干涉儀測角體制，旋轉式相位干涉儀測角原理如圖1所示。在被動雷達測角中相位干涉儀是較常用的一種角度測量方法，其基本原理是通過鑒別不同天線接收到的平面電磁波信號的相位差，然后經(jīng)過角度變換計算出目標輻射源的視線角。目標輻射源的平面波由與天線視軸夾角為β方向傳播而來，它到達2個天線會有相位差φ，該相位差φ與天線視軸夾角β成比例，相位干涉儀利用導彈自身的旋轉使角度信息轉換為彈體旋轉頻率的交流幅度與相位信息，解決了測角模糊問題，這就是被動微波測角的原理[2]。

圖1 旋轉式相位干涉儀測角原理圖

1.2 紅外玫瑰掃描跟蹤原理

艦空導彈導引頭紅外子系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)、探測器、位標器組件及二馬達等組成，采用玫瑰線掃描方式將視場內的紅外輻射場景掃描成相應的脈沖。導引頭紅外子系統(tǒng)利用其光學系統(tǒng)實現(xiàn)玫瑰線掃描，光學系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 紅外導引頭光學系統(tǒng)示意圖

玫瑰掃描光學系統(tǒng)中的次鏡相對主鏡有一定的偏轉，形成圓掃描，然后再通過反向旋轉的偏心鏡使目標像點在探測器所在平面上形成玫瑰掃描圖案。目標在掃描場中的位置不同，光軸掃過目標的次數(shù)就不同，探測器產(chǎn)生的脈沖數(shù)也不同。測量信息脈沖和基準之間的時間間隔，經(jīng)過計算即可得到偏離光軸的距離和方位。

紅外導引頭采用新的光機掃描技術，用一個小的瞬時視場通過掃描獲得一個大的捕獲視場(如圖3所示)，解決了視場大小與背景噪聲的矛盾[3]。

圖3 紅外導引頭視場示意圖

2 交班誤差源分類與計算方法

根據(jù)上述對導引頭測角定向原理的分析可知，在微波子系統(tǒng)引導紅外子系統(tǒng)截獲目標的過程中，其實質是相位干涉儀輸出的目標視線角信號驅動陀螺指向目標，隨動同步信號使紅外導引頭光軸與微波天線軸同向，從而確保目標位于紅外系統(tǒng)的瞬時視場內，以實現(xiàn)紅外導引頭對目標的截獲跟蹤。引起交班誤差的誤差源主要有以下幾種：(1)旋轉相位干涉儀測角誤差；(2)陀螺角跟蹤回路誤差；(3)紅外導引頭自身誤差；(4)指令時延誤差；(5)跟蹤點不一致誤差等。

2.1 旋轉相位干涉儀測角誤差

如圖1所示，目標輻射方向與天線視軸方向夾角為β，計算得到輻射源到達2個天線的相位差為：

(1)

式中：D為天線間距；λ為輻射源的波長。

D和λ均可精確測定。若相位差φ也為已知，即可通過式(1)求得目標與天線視軸夾角β為：

(2)

對式(2)進行微分可以求得：

(3)

由式(3)可得：

(4)

式中：σβ為測量目標與天線視軸夾角β的誤差；σφ為干涉儀測量信號相位差φ的誤差；σλ為測量信號波長λ的誤差；σD為測量天線間距D的誤差。

分析式(4)可以得出以下結論：(1)由于λ和D已知并且測量較為精確，所以測角精度主要取決于φ的測量精度；(2)φ的測量誤差越大，旋轉相位干涉儀測角誤差越大；(3)天線間距D越大，測角誤差越小；(4)測角誤差與夾角β有關。下面著重對φ的測量誤差進行分析。在相位干涉儀測角系統(tǒng)中，接收到的信號在設備中經(jīng)過各個環(huán)節(jié)都會引入附加相移[4]。導致相位誤差存在的原因有很多，主要包括天線饋電設計誤差σ1(其中天線引入的系統(tǒng)誤差主要來源于三方面：一是由匹配網(wǎng)絡相移不一致導致的誤差σ11，二是由匹配網(wǎng)絡造成天線相位特性畸變誤差σ12，三是天線結構設計中的缺陷誤差σ12)；由2個信道之間固有的相位差和溫度等原因導致的信道不均衡誤差σ2；因鑒相器線性范圍較小導致的比相誤差σ3；式(2)產(chǎn)生的角度變換誤差σ4等。假設各誤差相互獨立，則相位差φ的總均方根誤差可表示為：

(5)

在不考慮波長λ和天線間距D的測量誤差的情況下，旋轉相位干涉儀測角誤差σβ可簡化為：

(6)

2.2 陀螺角跟蹤回路誤差

陀螺角跟蹤系統(tǒng)一般由位標器、跟蹤電路和伺服機構組成，當目標相對跟蹤系統(tǒng)移動并改變其位置時，跟蹤系統(tǒng)根據(jù)目標視線角度信息輸出光軸角度信息，此時角誤差亦即光軸與視線的夾角[5]。陀螺角跟蹤回路誤差表現(xiàn)為回路實時性誤差，與輸入輸出信號、位標器提供的調制信號質量及伺服回路的響應特性有關。位標器與跟蹤電路的時間常數(shù)遠小于伺服機構的時間常數(shù)，在分析時可以忽略其影響。根據(jù)文獻[6]的分析，陀螺角跟蹤回路誤差與系統(tǒng)回路時間常數(shù)及目標視線角旋轉角速度成正比，而一個系統(tǒng)的時間常數(shù)一般是一定的，所以陀螺角跟蹤回路誤差主要與目標視線角速度有關：

(7)

2.3 紅外導引頭自身誤差

假設各誤差相互獨立，則紅外導引頭自身誤差可以表示為：

(8)

2.4 指令時延誤差

通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和傳輸以及導彈修正指令的產(chǎn)生往往具有滯后性，如果此時導彈正處于雙模交班階段，指令滯后時間則決定了導引頭指向誤差的大小。

為了便于分析，設導彈與目標位于同一平面內運動，對于不在同一平面內的情況可取導彈與目標在此平面內的運動參數(shù)分量。設制導雷達在t時刻測得目標位置為T1，目標位置指令延遲Δt時間后送出，此時目標已飛至點T2，設在目標位置指令送出時導彈位于M點，T1′、T2′是目標位置T1、T2在通過M點作出的與目標飛行方向平行直線MX上的投影，如圖4所示。

圖4 指令延時導致的導引頭指向誤差

從圖4可以看出，T1，T2點與導彈M點連線T1M和T2M之間的夾角σq即為指令延時導致的導引頭指向誤差。不考慮機動情況，在目標作等速直線飛行條件下，由幾何關系計算得到T2M與MX的夾角q2，T1M與MX的夾角q1的表達式為：

(9)

(10)

式中：P為在t+Δt時刻導彈所處位置M距目標航線T1T2的距離；Rd為t+Δt時刻彈目實際距離，此處取Rd為紅外導引頭的作用距離，即在指令送出時刻導彈正好處于交班階段;vm為目標飛行速度。

因此，指令延時導致的導引頭指向誤差σq可以表示為[8]：

σq=q2-q1

(11)

2.5 跟蹤點不一致誤差

艦空導彈的攔截目標一般為反艦導彈，在雙模復合制導交班過程中，被動微波子系統(tǒng)的跟蹤點是位于反艦導彈頭部的主動雷達，紅外子系統(tǒng)的跟蹤點是位于反艦導彈尾部的平均輻射中心，則在交班過程中會產(chǎn)生由復合導引頭跟蹤點不一致導致的誤差[9]。根據(jù)圖5所示的幾何關系，求出此誤差為：

(12)

式中：L為反艦導彈長度。

分析式(12)，可知跟蹤點不一致誤差隨著彈目距離的接近或者β的增大而增大。

圖5 被動微波和紅外跟蹤點示意圖

3 交班總誤差仿真分析

根據(jù)上述對各交班誤差源計算方法的分析，假設各誤差源之間相互獨立，則可得出交班總誤差為：

(13)

圖6 t=7 s，R=3 000 m時的交班誤差分布圖

圖7 t=8 s，R=2 000 m時的交班誤差分布圖

圖8 t=9 s，R=1 000 m時的交班誤差分布圖

4 結束語

本文對被動微波/紅外復合制導的各交班誤差源進行了分類和計算，分析求解出交班總誤差。由上述分析可得出結論：對于掃描視場為2.5°×2.5°的紅外導引頭來說，過大的目標視線角和目標視線角速度導致的誤差對交班十分不利，這個問題的解決辦法之一是紅外導引頭可采用玫瑰線掃描方式搜索截獲目標，用一個小的瞬時視場通過掃描獲得一個大的捕獲視場，以降低交班誤差要求。另外，從制導系統(tǒng)角度來看需要導引頭提高交班能力，提高紅外導引頭分辨真實目標脈沖的水平，盡快在最短的時間內轉入紅外末制導，保證交班后的制導精度。

[1] 劉隆和．多模復合尋的制導技術[M]．北京：國防工業(yè)

出版社，2001．

[2] 沈康．一種旋轉式相位干涉儀測角系統(tǒng)研究[J]．現(xiàn)代電子技術，2011，34(15)：26-28．

[3] 葉堯卿．便攜式紅外尋的防空導彈設計[M]．北京：中國宇航出版社，1996．

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[5] 鐘任華，周茂樹，何啟予．飛航導彈紅外導引頭[M]．北京：中國宇航出版社，2006．

[6] 彭紹雄，李學園，袁洪武，等．艦空導彈雙模復合制導交班誤差模型分析[J]．兵工自動化，2012，31(2)：64- 67．

[7] 胡利偉．防空導彈復合導引引導誤差與角度截獲問題研究[J]．彈箭與制導學報，2009，29(1)：39-42．

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[9] 任建存，胡利偉．艦空導彈復合導引頭誤差分析研究[J]．現(xiàn)代防御技術，2009，37(1)：59-65．

Hand-over Error Analysis of Passive Microwave/Infrared Dual-mode Combined Guidance

FAN Peng-fei，OUYANG Zhong-hui

(Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China)

According to the characteristics of dual-mode combined guidance seeker of ship-to-air missile,the angle measuring principle of rotating phase interferometer and realization method of target tracking in infrared rosette scanning are introduced.Based on analyzing the hand-over process of ship-to-air missile,the hand-over error of passive microwave/infrared guidance is classified and calculated,total hand-over error of missile is analyzed and solved.Through example simulation,the influence of each error source on hand-over is discussed.Simulation result can provide reference for the study of hand-over process and seeker design for the combined guidance of ship-to-air missile.

combined guidance;hand-over;error analysis;ship-to-air missile

2014-08-11

TJ765.3

A

CN32-1413(2015)01-0032-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.007