運動平臺相控陣雷達的陣面控制研究

南京電子技術(shù)研究所 戴海青 宋 赟 王東岳

運動平臺相控陣雷達的陣面控制研究

南京電子技術(shù)研究所 戴海青 宋 赟 王東岳

運動平臺上的相控陣雷達是相控陣雷達的一個重要方向，運動平臺上剛性連接條件下的相控陣波控技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一。在分析運動平臺的目標跟蹤指向特點的基礎(chǔ)上，提出了波束指向補償系統(tǒng)方案，對其算法進行了詳細的推導，并通過計算機仿真驗證了算法的有效性。

波控；相控陣雷達；運動平臺

0 引言

運動平臺為實現(xiàn)目標探測功能,通常安裝雷達等探測設(shè)備，以陣列雷達為例，陣列天線一般與平臺固連。在跟蹤、搜索過程中，波束控制分系統(tǒng)按雷達控制計算機指令控制雷達波束進行掃描，使得目標處于波束探測范圍內(nèi)。

當運動平臺相控陣雷達在探測過程，由于受機動、外界擾動以及目標與平臺相對運動的影響，目標有可能脫離波束探測范圍，由此嚴重影響著雷達對目標的截獲與跟蹤。所以對在運動平臺中剛性連接條件下的波控技術(shù)進行研究，實現(xiàn)天線波束探測范圍的穩(wěn)定，是運動平臺相控陣雷達研制過程中迫切需要加以解決的問題。

1 問題分析

建立地理坐標系，坐標原點O取在地面，Xge軸指向真北，Yge軸垂直向上，Zge軸指向正東，即北-天-東坐標系，見圖1。是目標在地理坐標系下的坐標，是探測平臺在地理坐標系的坐標。是在地理坐標系下，平臺到目標指向，也即跟蹤波束最佳指向。

圖1 地理坐標系

波束控制需要根據(jù)平臺坐標系下目標指向[3]（），建立平臺坐標系，見圖2。坐標原點O取在平臺重心，Xac軸與平臺縱軸線一致，指向平臺前端方向為正；Yac軸在平臺對稱平面內(nèi)，垂直于平臺平面，指出平臺背向為正；Zac軸垂直于平臺對稱平面，指向平臺右側(cè)為正。機體坐標系和地理坐標系的關(guān)系可由俯仰角、橫滾角和航向角確定。

其中航向角(ψ)(heading)，為平臺坐標系Xac在水平面內(nèi)的投影與地理坐標系Xge軸，即與真北的夾角，以真北為基準， 順時針(從上向下看)為正；俯仰角(θ)(pitch)--平臺縱軸Xac與水平面之間的夾角，平臺縱軸在水平面之上為正；橫滾角(φ)(roll)—由平臺偏航軸Zac與包含縱軸的鉛垂平面之間的夾角決定。 偏航軸在鉛垂面左側(cè)為正(從后向前看)，即平臺右側(cè)(從后向前看)往下為正。

圖2 平臺坐標系

地理坐標系和機體坐標系下目標指向有如下關(guān)系[1][2]：

當平臺姿態(tài)，目標與平臺相對位置隨時間變化時有：

2 修正算法

隨著慣導器件的發(fā)展，慣性組件可以不需要平臺隔離，就能承受較大的角速度和角加速度。另外，數(shù)字計算技術(shù)的快速發(fā)展，也使得以數(shù)字插值方式對擾動造成的天線波束指向偏差實施實時修正較易實現(xiàn)，可以采用下圖所示波束指向補償系統(tǒng)框圖。

圖3 波控補償系統(tǒng)框圖

圖3所示中，波控補償模塊接收雷達主控計算機給出的當前目標跟蹤波束指向角以及目標距離，速度信息，并從捷聯(lián)慣導獲取實時的姿態(tài)角及其時間導數(shù)，通過差值計算得到天線指向偏差的實時偏航和俯仰修正值，然后把結(jié)果及時傳遞波束控制分系統(tǒng)。

一般的補償計算過程為：t0時刻捷聯(lián)慣導分系統(tǒng)更新當前姿態(tài)角信息，姿態(tài)角一階，二階時間導數(shù)值，雷達主控計算機給出的當前目標跟蹤波束指向角以及目標距離，速度信息（即），波控補償模塊根據(jù)式（3），（4），（6），（7），計算，，按式（10）求和，結(jié)構(gòu)作為得到結(jié)果作為實時波束指向角發(fā)給波控分系統(tǒng)形成空間波束。等到下一次捷聯(lián)慣導分系統(tǒng)更新姿態(tài)角信息或者雷達主控計算機給出的當前目標跟蹤波束指向角以及目標距離，相對速度信息，波控補償模塊將自動更新參數(shù)繼續(xù)計算。

3 仿真

為驗證算法，現(xiàn)做一簡單仿真，假設(shè)有一平臺在大地坐標系繞原點O，在XOZ平面作勻速圓周運動，圓周半徑為1。平臺（機體）坐標系X軸始終與運動方向重合，Z軸始終指向大地坐標系原點O，Y軸始終與大地坐標系Y軸平行且同向。

假設(shè)在大地坐標系（1，1，1）處有一靜止目標，當真實目標指向更新速度與修正速度之比為1:4（即真實目標指向更新間隔是修正間隔的4倍），用式（11），計算運動一周時間內(nèi)指向誤差，其中是修正計算出的估值，是真實值。

圖4 不修正條件下的指向誤差

圖5 僅考慮平臺姿態(tài)擾動的修正后的指向誤差

圖6 同時考慮平臺姿態(tài)擾動和相對位移的修正后的指向誤差

同時考慮平臺姿態(tài)擾動和相對位移的補償后的誤差情況。

4 結(jié)論

當運動平臺相控陣雷達在探測過程，由于受機動、外界擾動以及目標與平臺相對運動的影響，需要對波束指向作補償。補償計算的一般過程是，接收雷達主控計算機給出的當前目標跟蹤波束指向角以及目標距離，速度信息，并從捷聯(lián)慣導獲取實時的姿態(tài)角及其時間導數(shù)，通過修正計算得到天線指向的實時修正值，然后把結(jié)果及時傳遞波束控制分系統(tǒng)。仿真說明了算法的有效性。

[1]李秋生.相控陣雷達導引頭捷聯(lián)去耦技術(shù)研究[M].制導與引信,2005,26(2):19-22.

[2]黃廷祝,成孝予.線性代數(shù)與空間解析幾何[M].成都:電子科技大學出版社,1997．

[3]張光義.相控陣雷達系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1994.

Beam-Steering Technique Research For Phased Array Radars On Moving Platform

Dai hai-qing，Song Yun，Wang dong-yue
（Nanjing Research Institute of Electronics Technology Nanjing 210039）

There is a huge need of Phased Array Radars On Moving Platform，which depends on the development of Beam-Steering Technique.Based on the analyzing of characteristics of Phased Array Radars On Moving Platform，a new Beam-Steering Technique is presented．The algorithmic validity is proved by computer simulation．

Beam-Steering；phased array radar；Moving Platform

戴海青（1983—），男，碩士，江蘇南京人，工程師，研究方向：雷達波控分系統(tǒng)的設(shè)計。