基于機(jī)電混合式目標(biāo)模擬的雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真關(guān)鍵技術(shù)*

張 翔，崔瀟瀟，王 洋，韓 路，程思敏

(中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065)

0 引言

雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈的工作原理是利用雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射的雷達(dá)波照射目標(biāo)并接收目標(biāo)反射的回波信號，導(dǎo)引頭對所接收的信號進(jìn)行處理，同時輸出目標(biāo)視線角速率數(shù)據(jù)，送導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)，由制導(dǎo)控制系統(tǒng)控制舵機(jī)改變導(dǎo)彈的飛行方向和姿態(tài)，向目標(biāo)發(fā)起攻擊［1-2］。

雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈技術(shù)含量高，實(shí)現(xiàn)難度大，為了能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)考核制導(dǎo)控制部件和武器系統(tǒng)的性能指標(biāo)，半實(shí)物仿真是必不可少的驗(yàn)證手段。雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的主要功能是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)產(chǎn)生與被試導(dǎo)引頭作戰(zhàn)方式相適應(yīng)的目標(biāo)和環(huán)境信號，進(jìn)行模擬導(dǎo)彈飛行全過程的制導(dǎo)控制系統(tǒng)閉環(huán)半實(shí)物仿真試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)模擬有陣列式和機(jī)電混合式兩種方式［3］，文中主要對基于機(jī)電混合式目標(biāo)模擬的雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，首先對比分析了陣列式與機(jī)電混合式雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，對機(jī)電混合式雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計;然后給出了機(jī)電混合式雷達(dá)目標(biāo)模擬、目標(biāo)建模、射頻信號屏蔽裝置等關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑;最后提出了機(jī)電混合式雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的工作原理和試驗(yàn)流程。本研究可用于雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建以及開展仿真試驗(yàn)的參考依據(jù)，具有很好的應(yīng)用前景。

1 雷達(dá)目標(biāo)模擬方式對比

陣列式目標(biāo)模擬是由射頻發(fā)射單元按照一定的規(guī)律排列在一個球面上［4-5］，球面的球心位于轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)中心，采用三元組合成信號的模式，模擬到達(dá)被試導(dǎo)引頭天線口面的目標(biāo)信號。工作過程為射頻信號源產(chǎn)生的信號經(jīng)過陣列饋電系統(tǒng)從相應(yīng)的三元組輻射單元合成不同角位置的信號，再經(jīng)由暗室向被試導(dǎo)引頭輻射。

機(jī)電混合式目標(biāo)模擬采用的是小型陣列，通常只有一個三元組，從而可以大大減少射頻發(fā)射單元的數(shù)目。該三元組安裝在二維平動系統(tǒng)上，通過二維平動系統(tǒng)帶動三元組在垂直和水平兩個方向進(jìn)行線運(yùn)動實(shí)現(xiàn)不同角位置目標(biāo)回波信號的模擬。

下面對兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比:

1)仿真能力

由于陣列式目標(biāo)模擬是由饋電系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的控制，其位置模擬變化速率和目標(biāo)模擬精度較機(jī)電混合式要強(qiáng)，因此從理論上講采用陣列式目標(biāo)模擬的精度更高，仿真能力更強(qiáng)。但在實(shí)際中，由于幾乎所有雷達(dá)導(dǎo)引頭的測角精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機(jī)電混合式目標(biāo)模擬所提供的測角精度，在這種情況下兩種目標(biāo)模擬方式的仿真效果基本相當(dāng)，仿真置信度都能滿足仿真要求。

2)系統(tǒng)復(fù)雜度

實(shí)現(xiàn)陣列式目標(biāo)模擬非常復(fù)雜，需要幾百個射頻發(fā)射單元，數(shù)十個射頻開關(guān)、程控衰減器、程控移相器和饋電線纜等器件，這些設(shè)備都要安裝在一個大型鋼架結(jié)構(gòu)上，該結(jié)構(gòu)具有六自由度調(diào)整功能。機(jī)電混合式目標(biāo)模擬實(shí)現(xiàn)起來較為簡單，一般只需一個三元組和一個二維平動系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)模擬。

3)調(diào)試及維護(hù)難度

由于組成復(fù)雜，陣列式系統(tǒng)的調(diào)試及維護(hù)難度極高，每隔一段時間都要對陣列上的每個射頻發(fā)射單元進(jìn)行校準(zhǔn)，每次試驗(yàn)前系統(tǒng)的調(diào)試工作非常繁瑣，一般需要好幾天的準(zhǔn)備時間。機(jī)電混合式系統(tǒng)由于只使用一個三元組，調(diào)試和校準(zhǔn)工作很快就可以完成，而二維平動系統(tǒng)的維護(hù)難度與轉(zhuǎn)臺類似，可靠性較高，操作簡單。

4)建設(shè)費(fèi)用

根據(jù)國內(nèi)外已建成的雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，陣列式系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用一般是機(jī)電混合式系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用的4～5倍。

綜上所述，盡管機(jī)電混合式仿真系統(tǒng)在仿真能力方面略有不足，但在系統(tǒng)復(fù)雜度、調(diào)試及維護(hù)難度、仿真系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用等方面具有明顯的優(yōu)勢，因此，采用機(jī)電混合式仿真系統(tǒng)是一種非常經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠、高效的雷達(dá)制導(dǎo)仿真方案。

2 總體方案設(shè)計

機(jī)電混合式雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)由射頻暗室、射頻接收單元、射頻信號源、射頻發(fā)射單元三元組、射頻信號屏蔽裝置、三軸飛行轉(zhuǎn)臺、二維平動系統(tǒng)、舵機(jī)負(fù)載模擬器、慣導(dǎo)仿真轉(zhuǎn)臺、仿真計算機(jī)、實(shí)時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和試驗(yàn)總控制臺系統(tǒng)組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)電混合式雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)原理框圖

如圖1所示，仿真系統(tǒng)分為暗室內(nèi)部分及暗室外部分。暗室內(nèi)部分由射頻發(fā)射單元三元組、射頻接收單元、射頻信號屏蔽裝置、三軸飛行轉(zhuǎn)臺及二維平動系統(tǒng)組成;暗室外部分由射頻信號源、舵機(jī)負(fù)載模擬器、慣導(dǎo)仿真轉(zhuǎn)臺、仿真計算機(jī)、實(shí)時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及試驗(yàn)總控制臺系統(tǒng)組成。仿真時，射頻接收單元接收導(dǎo)引頭發(fā)射的射頻信號傳輸給射頻信號源，射頻信號源實(shí)時生成目標(biāo)回波信號，供被試導(dǎo)引頭探測、捕獲和跟蹤。各組成部分實(shí)現(xiàn)功能如下:

射頻暗室:用于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)提供一個電磁波的自由傳播空間。

射頻接收單元:用于接收導(dǎo)引頭發(fā)出的射頻信號，并轉(zhuǎn)發(fā)給射頻信號源進(jìn)行處理。

射頻信號源:用于生成目標(biāo)回波信號及環(huán)境雜波信號并輸出至射頻發(fā)射單元三元組。

射頻發(fā)射單元三元組:用于接收來自射頻信號源產(chǎn)生的射頻目標(biāo)信號和干擾信號，處理后向被試導(dǎo)引頭輻射，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和干擾的空間角度模擬。

射頻信號屏蔽裝置:用于屏蔽和吸收被試導(dǎo)引頭發(fā)出的射頻信號，防止其照射到二維平動系統(tǒng)上發(fā)生反射，引入額外的干擾信號。

三軸飛行轉(zhuǎn)臺:用于模擬導(dǎo)彈在飛行過程中的姿態(tài)變化。

二維平動系統(tǒng):用于負(fù)載射頻接收單元、射頻信號源和射頻發(fā)射單元三元組，帶動其在垂直和水平兩個方向進(jìn)行線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)不同角位置目標(biāo)回波信號的模擬。

舵機(jī)負(fù)載模擬器:用于模擬導(dǎo)彈飛行過程中舵機(jī)舵面所受空氣氣動力鉸鏈力矩。

慣導(dǎo)仿真轉(zhuǎn)臺:用于模擬導(dǎo)彈在飛行過程中的姿態(tài)變化。

仿真計算機(jī):用于仿真試驗(yàn)中導(dǎo)彈飛行彈道以及各種模型的解算和運(yùn)行。

實(shí)時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng):用于仿真過程中信息的交互及實(shí)時傳輸。

試驗(yàn)總控制臺系統(tǒng):用于實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)各組成的監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)采集記錄等功能。

3 機(jī)電混合式雷達(dá)制導(dǎo)仿真關(guān)鍵技術(shù)

3.1 機(jī)電混合式雷達(dá)目標(biāo)模擬

機(jī)電混合式雷達(dá)目標(biāo)模擬由射頻接收單元、射頻信號源、射頻發(fā)射單元三元組、二維平動系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)。射頻發(fā)射單元三元組由3個射頻發(fā)射天線和變頻器組成，射頻接收單元由一個射頻接收天線和變頻器組成，二者的布局形式如圖2所示。

圖2 射頻發(fā)射單元三元組和射頻接收單元布局形式

射頻發(fā)射單元間距的設(shè)定決定著射頻仿真的精度。單元間距太大，不利于保證目標(biāo)位置精度，甚至?xí)a(chǎn)生目標(biāo)位置的多值性;單元間距太小，則陣列單元數(shù)驟增，增加投資，而且調(diào)試維護(hù)工作量增大。為了避免目標(biāo)位置出現(xiàn)多值，單元間距必須滿足以下公式的要求，即:

式中:L為單元間距(rad);D為最大天線口面直徑(mm);λ為最小波長(mm);K為系數(shù)，一般取經(jīng)驗(yàn)值K=0.8。目前絕大多數(shù)雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的射頻發(fā)射單元間距取值在18～24 mrad之間。

3.2 目標(biāo)建模

射頻目標(biāo)模型分為非擴(kuò)展目標(biāo)和擴(kuò)展目標(biāo)兩類［6］。當(dāng)前國內(nèi)外在進(jìn)行雷達(dá)制導(dǎo)仿真試驗(yàn)時一般使用非擴(kuò)展目標(biāo)，擴(kuò)展目標(biāo)建模通常采用統(tǒng)計模型，下面是幾種常用的目標(biāo)模型:

模型I:慢起伏A

所謂慢起伏，是指目標(biāo)回波在任意一次掃描期間都恒定(即完全相關(guān))，但從一次掃描到下一次掃描是獨(dú)立的(不相關(guān))。此時目標(biāo)截面積的概率密度函數(shù)服從指數(shù)函數(shù)分布:

模型II:快起伏A

此時目標(biāo)截面積和回波振幅的概率分布與模型I相同，但為快起伏。所謂快起伏，是指目標(biāo)回波在脈沖與脈沖之間的起伏是統(tǒng)計獨(dú)立的。

模型III:慢起伏B

目標(biāo)截面積σ的概率密度分布函數(shù)為:

模型IV:快起伏B

目標(biāo)截面積σ或回波振幅A滿足的概率密度函數(shù)與起伏模型III相同。

上述4類模型中，第I、II類模型適用于由大量截面積近似相等的獨(dú)立散射體組成的復(fù)雜目標(biāo)，理論上要求散射體的數(shù)量為無限大，實(shí)際上只需要四、五個即可。第III、IV類模型適用于一個大的反射體和許多小反射體組成的目標(biāo)。無論是哪一類情況，代入雷達(dá)方程的截面積應(yīng)是截面積的統(tǒng)計平均值。為了達(dá)到規(guī)定的檢測概率，而虛警概率不超過某允許值所需要的信噪比，可根據(jù)不同的統(tǒng)計模型分別求得。如果只用一個參數(shù)來描述復(fù)雜目標(biāo)的截面積起伏特性，那么可以用目標(biāo)回波幅度的均值和統(tǒng)計模型I和II。

3.3 射頻信號屏蔽裝置

主動雷達(dá)導(dǎo)引頭的工作過程為導(dǎo)引頭不斷發(fā)射雷達(dá)波照射目標(biāo)并接收目標(biāo)反射的回波信號。由于不同角位置目標(biāo)回波信號的模擬是通過二維平動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，而二維平動系統(tǒng)的框架和十字運(yùn)動軸會反射導(dǎo)引頭發(fā)出的主動射頻信號，該信號的一部分會向?qū)б^方向反射，與三元組發(fā)出的真實(shí)射頻目標(biāo)信號一起投射到被試導(dǎo)引頭的入瞳，從而嚴(yán)重干擾射頻目標(biāo)信號的品質(zhì)并影響導(dǎo)引頭的判斷。該引入的射頻干擾信號的強(qiáng)弱和特性并不固定，而是隨著入射角度、導(dǎo)引頭發(fā)射的主動射頻信號的特性以及彈目相對運(yùn)動幾何關(guān)系而不斷變化。干擾信號的強(qiáng)度和誤差無法定量的測量和分析，更無法補(bǔ)償，給試驗(yàn)結(jié)果和仿真置信度帶來很大的不確定性，嚴(yán)重時會導(dǎo)致仿真試驗(yàn)失敗。

二維平動系統(tǒng)的框架是固定不動的，為了防止照射在其上的射頻信號發(fā)生反射，需在其表面貼覆吸波材料，將干擾信號吸收掉。而對于二維平動系統(tǒng)的十字運(yùn)動軸，由于其在試驗(yàn)過程中是不斷移動的，因而無法采用貼吸波材料的方法，必須設(shè)計射頻信號屏蔽裝置。屏蔽裝置實(shí)際上是一塊貼有吸波材料的平板，通過仿真夾具固定安裝于二維平動系統(tǒng)的負(fù)載盤中心，隨負(fù)載盤一起運(yùn)動，因此無論在任何情況下雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)出的射頻信號都會照射到射頻信號屏蔽裝置上并被其吸收，避免射頻信號在十字運(yùn)動軸表面發(fā)生反射。射頻信號屏蔽裝置安裝位置示意圖如圖3所示。

圖3 射頻信號屏蔽裝置安裝位置示意圖

射頻信號屏蔽裝置外形為正方形，邊長L由被試導(dǎo)引頭的波束寬度α及導(dǎo)引頭至二維平動系統(tǒng)負(fù)載中心的距離R確定。屏蔽裝置尺寸及與導(dǎo)引頭的相對幾何關(guān)系如圖4所示。

圖4 射頻信號屏蔽裝置尺寸及與導(dǎo)引頭的相對幾何關(guān)系

由圖4可以看出，射頻信號屏蔽裝置邊長L計算如下:

4 工作原理及試驗(yàn)流程

如圖1所示，雷達(dá)導(dǎo)引頭安裝在三軸轉(zhuǎn)臺上;射頻接收單元、射頻發(fā)射單元三元組安裝在二維平動系統(tǒng)上，實(shí)時接收導(dǎo)引頭發(fā)出的射頻信號并生成目標(biāo)回波;射頻信號屏蔽裝置安裝在二維平動系統(tǒng)上;舵機(jī)安裝在舵機(jī)負(fù)載模擬器上，模擬舵機(jī)所受到的鉸鏈力矩。

仿真開始后，仿真計算機(jī)運(yùn)行導(dǎo)彈動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)模型，實(shí)時計算出導(dǎo)彈運(yùn)動信號、姿態(tài)角和姿態(tài)角速率信號等。三軸轉(zhuǎn)臺和慣導(dǎo)仿真轉(zhuǎn)臺按照仿真計算姿態(tài)角和姿態(tài)角速率信號等驅(qū)動指令運(yùn)動;慣導(dǎo)安裝在慣導(dǎo)仿真轉(zhuǎn)臺上，實(shí)時測出導(dǎo)彈運(yùn)動信號、姿態(tài)角和姿態(tài)角速率信號，通過接口送給彈上計算機(jī)作為控制系統(tǒng)模型的輸入信號。射頻接收單元、射頻發(fā)射單元三元組用夾具安裝在二維平動系統(tǒng)上。二維平動系統(tǒng)由仿真計算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)垂直、水平方向運(yùn)動，射頻接收單元和射頻發(fā)射單元三元組放置在十字運(yùn)動軸的交點(diǎn)為導(dǎo)引頭提供實(shí)時的目標(biāo)信號，導(dǎo)引頭對該信號進(jìn)行捕獲和跟蹤，輸出視線角速率信號送彈上計算機(jī)。彈上計算機(jī)綜合所有輸入信號，運(yùn)行控制系統(tǒng)模型，形成控制指令，通過接口送給舵機(jī);舵機(jī)跟隨控制指令運(yùn)動，形成舵偏角，通過接口送給仿真計算機(jī);仿真計算機(jī)根據(jù)舵偏角計算控制力和控制力矩實(shí)現(xiàn)雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈全系統(tǒng)閉環(huán)仿真。

5 結(jié)論

文中對基于機(jī)電混合式目標(biāo)模擬的雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真進(jìn)行了研究，給出了機(jī)電混合式雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。對機(jī)電混合式雷達(dá)目標(biāo)模擬、目標(biāo)建模、射頻信號屏蔽裝置等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了機(jī)電混合式雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的工作原理和試驗(yàn)流程。本研究可用于雷達(dá)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建以及開展仿真試驗(yàn)的參考依據(jù)，具有很好的應(yīng)用前景。

［1］方輝煜.防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真［M］.北京:宇航出版社，1995.

［2］劉興堂.精確制導(dǎo)、控制與仿真技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［3］單家元，孟秀云，丁艷，等.半實(shí)物仿真［M］.2版.北京:國防工業(yè)出版社，2013.

［4］王海濤，朱根才，賁德.射頻仿真系統(tǒng)的誤差分析與可信度評估研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19(7):1548-1551.

［5］李瑛，胡楚鋒，李南京，等.陣列射頻仿真系統(tǒng)精度改進(jìn)方法研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，21(22):7045-7047.

［6］王國玉，汪連棟.雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真與評估［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.