虛實合成試驗中彈目相對運動模擬技術研究?

李曉斌 盧道偉

1 引言

目前，反艦導彈的試驗與鑒定主要基于四種模式，即內(nèi)場仿真試驗（包括半實物仿真試驗和全數(shù)字仿真試驗）、飛行試驗、對海靜態(tài)試驗和動態(tài)帶飛試驗［1］。其中，內(nèi)場仿真試驗易實現(xiàn)，成本低，可重復，邊界條件覆蓋性好，但需要對導彈、目標及干擾精確建模才能真實地反映實際工作情況，而現(xiàn)有模型的置信度有待提高；導彈飛行試驗可以真實反映實際工作過程，但成本高，不能大量重復進行，覆蓋工作條件有限；對海靜態(tài)試驗和動態(tài)帶飛試驗成本介于仿真試驗和飛行試驗兩者之間，目標、干擾均為實物，戰(zhàn)場環(huán)境與飛行試驗環(huán)境一致，但對海靜態(tài)試驗中導引頭固定放置，不能實現(xiàn)導彈和目標之間的相對運動；動態(tài)帶飛試驗涉及動用試驗兵力，成本較高，同時也無法實現(xiàn)對導彈從導引頭到控制系統(tǒng)全流程進行抗干擾驗證。

綜合考慮上述四種試驗模式各自的優(yōu)缺點，本文創(chuàng)新提出了反艦導彈抗干擾虛實合成試驗的模式，重點針對在該試驗模式下模擬導彈和目標、干擾之間運動關系的技術手段進行深入研究，包括導彈在運動過程中，目標和干擾相對導彈的距離、角度、角速度、張角、多普勒頻移及目標RCS起伏等。

2 反艦導彈抗干擾虛實合成試驗

反艦導彈抗干擾虛實合成試驗是采用通用接口技術，將導彈導引頭實裝、模擬器、半實物仿真系統(tǒng)、數(shù)字仿真系統(tǒng)、真實和模擬的目標及環(huán)境（包括自然環(huán)境和干擾環(huán)境）組合到一起，通過統(tǒng)一的公共仿真平臺進行調(diào)度管理，使內(nèi)場及外場各種試驗資源協(xié)同工作，從而對反艦導彈的各項戰(zhàn)技性能進行考核的試驗模式。具體實施方案如圖1所示。

圖1 反艦導彈抗干擾虛實合成試驗方案

圖1 中，反艦導彈抗干擾虛實合成試驗系統(tǒng)由內(nèi)場合外場共三個場地的試驗系統(tǒng)聯(lián)合實現(xiàn)，內(nèi)場試驗系統(tǒng)包括試驗評估試驗室和制導控制仿真試驗室，外場試驗系統(tǒng)為海上試驗場。三個試驗場地通過以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)及實時無線通訊網(wǎng)有機連接。其中，以太網(wǎng)絡用于試驗前的試驗想定、配置文件及試驗后的結果數(shù)據(jù)的非實時傳輸；光纖網(wǎng)絡用于試驗過程中各仿真節(jié)點之間的實時數(shù)據(jù)交互；實時無線通訊網(wǎng)絡用于內(nèi)、外場目標及干擾數(shù)據(jù)實時交互。

制導控制仿真試驗室內(nèi)固定放置一套三軸轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺面朝海上試驗場，轉(zhuǎn)臺上安裝導引頭實裝，利用仿真機、導引信息轉(zhuǎn)換設備、慣導模擬設備、大氣數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)等各類仿真模擬設備實現(xiàn)彈道飛行解算及導引頭、綜合控制機外圍工作環(huán)境及大氣環(huán)境的模擬。海上試驗場利用真實的艦船、干擾裝備或目標模擬器、干擾模擬器實現(xiàn)真實海背景下目標和干擾環(huán)境的模擬。內(nèi)場試驗評估實驗室負責完成試驗方案設計、試驗推演及試驗過程中實時監(jiān)控，并完成導彈性能的鑒定與評估。

為實現(xiàn)反艦導彈虛實合成試驗系統(tǒng)閉合回路，以下內(nèi)容研究反艦導彈飛行過程中導彈和目標的相對運動關系，模擬包括距離、角度、角速度、張角、多普勒頻移及目標RCS起伏。

3 距離變化的模擬

由于導引頭架設于三軸轉(zhuǎn)臺上，位置信息不變，而真實艦船目標不能產(chǎn)生高速運動，因此要實現(xiàn)距離上彈目相對運動，可由目標或干擾模擬器在反艦導彈彈道模型的驅(qū)動下對導引頭信號進行儲頻、延遲、轉(zhuǎn)發(fā)，進而進行坐標轉(zhuǎn)換，形成距離不斷變化的接近真實反艦導彈與目標/干擾之間的相對運動。

導引頭與模擬目標之間的距離可通過導引頭雷達發(fā)射和接收信號之間的延遲時間來計算，計算公式為

式中c為光速，tR為目標模擬器每次接收到導引頭照射信號后，發(fā)射回波信號的延遲時間。可通過有規(guī)律地改變目標模擬器每次發(fā)射回波信號的延遲時間來實現(xiàn)距離上的變化，從而達到實現(xiàn)彈目距離上相對運動的目的［2～4］。

4 角度變化的模擬

角度上的彈目相對運動加載通過兩個途徑來實現(xiàn)，一種途徑是通過目標/干擾運動模擬器加載目標/干擾模擬器的方式來實現(xiàn)，另一種途徑是采用三軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動來模擬角度變化的方式來實現(xiàn)。角速度的模擬則采用角度微分計算的方法獲取。上述兩種途徑在實際試驗中可以綜合使用，也可以單獨使用，需要根據(jù)試驗情況靈活掌握。

4.1 目標/干擾運動模擬器模擬角度變化技術

目標/干擾運動模擬器用來復現(xiàn)并模擬目標/干擾的運動過程，其功能是完成彈目之間的相對運動特性?？砂匆?guī)定的精度實現(xiàn)位置預定、正弦規(guī)律運動，可按外部接口輸入的信號復現(xiàn)目標的運動，實時向外部接口輸出、記錄和顯示二維位置移動數(shù)據(jù)、具備調(diào)平功能和可拆卸、拼裝式叉車搬運和吊車搬運的條件。

目標運動模擬器的原理圖如圖2所示，目標運動模擬器在真實海背景下放置于導引頭正前方，目標/干擾模擬器通過自身的收發(fā)共用天線接收導引頭的發(fā)射信號，并對接收信號進行儲頻、延遲，然后通過收發(fā)共用天線將目標回波信號轉(zhuǎn)發(fā)回導引頭。目標掃描架的X軸導軌與Z軸導軌呈十字型放置，支撐柱固定于地面，X-Z軸導軌長度可根據(jù)實際需要進行定制，X軸導軌固定于支撐柱上，Z軸導軌置于X軸導軌的軌道上并通過伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)水平方向（方位）上以一定速度的移動；目標模擬器的收發(fā)共用天線置于Z軸導軌的軌道上并通過伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)垂直方向上（俯仰）以一定速度的移動，從而模擬實現(xiàn)導彈和目標在角度上的相對運動。

圖2 目標/干擾角度運動模擬器

4.2 三軸轉(zhuǎn)臺模擬角度變化技術

三軸轉(zhuǎn)臺模擬角度變化的原理是由內(nèi)場“試驗評估實驗室”進行彈道解算并將解算得到的彈道數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)實時發(fā)送到外場對海試驗平臺的仿真計算機，仿真計算機實時解算彈目視線角，并疊加彈體姿態(tài)和彈目視線角實時變化量，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺進行方位、俯仰和橫滾三自由度運動，從而實現(xiàn)目標角度變化的模擬。

5 張角變化的模擬

導彈逼近目標和干擾過程張角模擬，實現(xiàn)較為困難。在遠距離時，目標和干擾相對于導引頭的張角變化不大，而當模擬近距離時，目標和干擾相對于導引頭的張角變化急劇加大，事實上不論是用真實的軍艦還是小船都難以模擬近距離時彈速條件下相對角度的變化。針對該問題擬采取兩種方法：1）若采用實裝目標/干擾裝置或目標/干擾模擬器方案可以通過設置適當場景的方法實現(xiàn)抗干擾性能的驗證。如將場景設置在邊界條件上，使得裝載干擾裝置的小船可以在需要時迅速移出導引頭天線波束范圍，實現(xiàn)不同角度分辨單元的干擾場景；2）如圖3所示，采用實裝目標/干擾模擬器方案，可將干擾天線放置在距離導引頭一定距離的龍門架上，通過控制干擾天線在龍門架的十字架上運動，實現(xiàn)近距離時彈速條件下目標、干擾相對角度的快速變化的模擬。

圖3 彈速條件下目標、干擾相對角度快速變化的模擬方案

6 回波目標多普勒頻移的模擬

對目標信號的多普勒頻率及其變化的模擬主要是采用多普勒效應原理，進行模擬時，不僅要保證頻率的靈活變化還要保證變其變化過程中相位連續(xù)性。在實際工程中，常常用直接數(shù)字式頻率綜合器（DDS）來產(chǎn)生目標回波信號的多普勒頻率，它所產(chǎn)生的回波信號的多普勒頻率的穩(wěn)定度好、相位噪聲小而且精度很高，能夠完全滿足多普勒頻率模擬的需要。

7 標的RCS起伏特性模擬

根據(jù)雷達方程，理想情況下，雷達導引頭收到的目標信號功率可用下式計算：

式中，PT為雷達導引頭發(fā)射功率；GT為雷達導引頭發(fā)射天線增益；Gr為雷達導引頭接收天線增益；σ為目標散射截面積；R為雷達導引頭與目標間的斜距；L 為功率損耗因子［5～6］。

而雷達導引頭接收到的模擬目標的功率為

式中，PT′為目標模擬器發(fā)射功率；GT′為目標模擬器發(fā)射天線增益；r為雷達導引頭與目標模擬器天線間的距離；Gr′為雷達導引頭接收天線增益；λ為雷達導引頭工作波長。

為使得干擾逼真模擬目標，應盡量使得Pr=Pr′，可得：

式（5）中，σ不是一個常數(shù)，而是隨機起伏的，這是因為目標散射面積將隨著雷達視角變化而起伏變化，所以，在雷達與目標的相對運動中，視角的變化必然引起雷達散射截面積的起伏。為說明目標信號起伏，必須確定起伏的概率密度函數(shù)及其相關函數(shù)。但是，由于大多數(shù)實際目標都是很復雜的，相對運動中視線角隨機變化所產(chǎn)生的散射截面積起伏的概率密度分布式很難分析的，很難用準確的數(shù)學公式來描述，只能用一個比較接近而又合理的數(shù)學模型來描述。實際經(jīng)驗證明，該分布往往接近于2k自由度的 χ2分布：

σˉ為σ在目標起伏全過程的平均值。

Swerling分析過這種一般形式的起伏特性：

1）當k=1時，散射截面積起伏是負指數(shù)分布：

實際是個2自由度（k=1）的 χ2分布。這種分布比較適合雷達目標由大量散射元組成，其中沒有單獨一個（或只有幾個）散射元起主導作用。這種分布的電壓振幅為瑞利分布，所以，這種目標通常叫“瑞利目標”。它是SwerlingⅠ（慢起伏）和Swer?lingⅡ（快起伏）的兩類分布。

2）當 k=2時，式（6）為

它是一種4自由度（k=2）的 χ2分布。是SwerlingⅢ（慢起伏）和SwerlingⅣ（快起伏）的兩類分布。

可以用前兩種情況表示的目標，是由數(shù)量很多，彈雷達截面積大體上相同的散射體所組成。尺寸遠大于波長的目標，屬于這兩種情況。

后兩種情況適用于目標由一個大反射體和許多小的反射體組成，或者由一個大反射體組成而方向變化很小的場合。

對于非頻率捷變雷達導引頭，通常用慢起伏模型，對于頻率捷變雷達，通常用快起伏模型。

8 載頻信息的實現(xiàn)

目標模擬器產(chǎn)生的回波信號必須與導引頭發(fā)射信號保持良好的相干性，這就要求系統(tǒng)首先能夠從發(fā)射信號中準確地提取載波信號，并將此載波信號作為回波信號的載波，為此，系統(tǒng)采用鎖相環(huán)路設計。

1）鎖相接收機前端配置有AGC（自動增益控制）模塊，該模塊能有效防止功率漂移對頻率標定的影響，用于抑制接收信號電平的波動，為后級電路提供一個比較穩(wěn)定的電平，從而保證了系統(tǒng)內(nèi)信號的穩(wěn)定性。

2）鎖相環(huán)（PLL）可以實現(xiàn)對中頻信號頻率的自動跟蹤，并將其作為參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位，此設計可以使系統(tǒng)內(nèi)信號頻率和導引頭發(fā)射頻率保持一致。

3）主控電路通過控制電壓改變壓控振蕩器（VCO）中電容的電容量，進而改變振蕩回路諧振頻率。壓控振蕩器一般具有極高的諧波抑制比和極低的信號雜散，產(chǎn)生的回波信號具有純凈的頻譜特性，信號諧波與雜散一般小于-80dB。

4）頻率標定部分是鎖相環(huán)路設計的重點。它接收中頻信號，測量該信號載波頻率，根據(jù)測量結果確定反饋調(diào)整量，通過串口調(diào)節(jié)頻率合成信號源輸出頻率。頻率標定部分標定的頻率精度，將影響鎖相接收機最終能否鎖定。

9 結語

本文在總結內(nèi)場仿真試驗、飛行試驗、導引頭對海靜態(tài)試驗和掛飛試驗優(yōu)缺點的基礎上，為了降低試驗消耗，加強邊界條件考核，創(chuàng)新提出了反艦導彈抗干擾虛實合成試驗的模式。為實現(xiàn)反艦導彈抗干擾虛實合成試驗系統(tǒng)閉合回路，本文重點研究了模擬實現(xiàn)彈目相對運動的方法，從而模擬反艦導彈飛行過程中導彈和目標的相對運動關系，包括距離、角度、角速度、導彈逼近目標和干擾過程中張角的變化、多普勒頻移、目標RCS起伏及載頻信息的實現(xiàn)，為后續(xù)的工程實現(xiàn)進行了理論探索。

［1］曲寶忠.等.海軍戰(zhàn)術導彈試驗與鑒定［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［2］曲宏宇.靶場虛實合成多目標作戰(zhàn)試驗環(huán)境構建方法［J］.裝備學院學報，2015（4）：125-128.

［3］李一.反艦導彈突防虛實合成試驗方法［J］.火力與指揮控制.2012，37（10）：185-188.

［4］王國玉.無邊界靶場［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［5］丁鷺飛.等.雷達原理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［6］高烽.雷達導引頭概論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.