基于飛行彈道的數據鏈鏈路分析方法

周國峰，韓英宏，陳新民，遲學謙，宋少倩，趙 曜

(中國運載火箭技術研究院， 北京 100076)

數據鏈是一種按規(guī)定的消息格式和通信協(xié)議，實時傳輸處理格式化數字信息的戰(zhàn)術信息系統(tǒng)。彈載數據鏈技術是從20世紀五六十年代發(fā)展至今的信息化技術，隨著美國新軍事變革思想的提出，在伊拉克戰(zhàn)爭等現代局部戰(zhàn)爭中得到了成功使用。數據鏈技術在戰(zhàn)術導彈中的應用日臻完善，同時也被賦予更多的作戰(zhàn)使命?；跀祿湹娘w航導彈在回路可控攻擊是信息化條件下未來作戰(zhàn)的重要形式[1]。彈載數據鏈作為當前制導武器發(fā)展的主要方向，是現代信息化戰(zhàn)爭中精確打擊的重要基礎，除了用于導彈的精確制導外，數據鏈技術還使導彈具有了諸如目標選擇與重瞄、戰(zhàn)場殺傷效果評估、多彈協(xié)同作戰(zhàn)等多重作戰(zhàn)任務能力。因此，彈載數據鏈技術在各國得到了高度重視，并已成為未來導彈向智能化、信息化和網絡化發(fā)展的關鍵技術[2-3]。

彈載數據鏈主要用以幫助導彈完成通訊、指揮、精確制導三方面的功能，負責目標信息、環(huán)境信息和協(xié)同信息的傳遞和交換，其組成一般包括發(fā)射平臺上的數據鏈艙、控制面板、彈上數據鏈和遙控測試設備等。彈載數據鏈是在導彈與導彈，導彈與發(fā)射平臺，導彈與控制中心之間組網以實現數據交換，或通過其他中繼站在導彈之間建立起信息網絡，以實現信息的傳輸交換和處理。彈載數據鏈的主要功能有:導彈飛行控制、戰(zhàn)場協(xié)同、數據鏈網絡節(jié)點[4]。

美國、俄羅斯、法國等國分別在戰(zhàn)斧Block3、戰(zhàn)斧Block4、SLAM、AGM-130、JSOW、SS-N-19和Apache-AI等導彈上均應用了數據鏈[5]，顯著提高了導彈武器系統(tǒng)的性能。國內目前也在大力發(fā)展相關技術的研究應用。

鏈路余量是指通信時經通信信道衰減后的信號到達接收方時信號強度與噪聲比能夠滿足信息正確檢測的容限的富裕程度[6]。本文以導彈與地面站接收機之間的數據鏈為研究對象，提出了根據飛行彈道數據進行鏈路余量計算分析的方法。

1 研究對象模型

空基巡航導彈彈道一般分為助推段、爬升段、巡航段和下壓段[7]，本文以該類導彈為研究對象，彈上安裝有發(fā)射天線和接收天線，固定在地面上的地面站安裝發(fā)射天線和接收天線與導彈進行雙向數據傳輸，兩者位置關系及信號傳輸鏈路示意圖如圖1所示。

圖1 研究對象模型

由于天線的安裝位置固定，在飛行過程中隨導彈姿態(tài)和位置的變化，彈上天線的方向發(fā)生變化。為確保接收機能夠正常接收到信號，須確保上行鏈路和下行鏈路均具備足夠的鏈路余量。

2 坐標系及轉換關系

2.1 彈載天線坐標系

坐標原點OMT位于導彈質心，X軸沿導彈縱軸指向彈頭，Z軸為天線法線方向，導彈水平放置時垂直向下，Y軸與X軸和Z軸滿足右手法則。

2.2 地面天線坐標系

坐標原點OET位于地面站天線質心，X軸從地面站質心指向天，Z軸為天線法線方向，由地面站天線指向落點，Y軸與X軸和Z軸滿足右手法則。

2.3 地心坐標系

原點在地心OE處，OEXE在赤道平面內指向某時刻的起始子午線(通常取格林威治天文臺所在子午線)，OEZE軸垂直于赤道平面指向北極，OEYE滿足右手系[8]。

2.4 發(fā)射坐標系

坐標原點為發(fā)射點o；ox軸：發(fā)射點所在的水平面內，指向發(fā)射瞄準方向；oy軸：垂直發(fā)射點所在的水平面并指向上方；oz軸：通過右手法則確定。

2.5 彈體坐標系

坐標原點為導彈質心o1；o1x1軸：彈體的對稱軸，指向頭部；o1y1軸：彈體主對稱面內，指向上方；o1z1：通過右手定則可以確定。

2.6 地心坐標系與發(fā)射坐標系轉換

設地球為一橢球，發(fā)射點在地球表面的位置可用經度λ0、地理緯度B0來表示，射擊方向與過發(fā)射點的子午線北切線之夾角為射擊方位角A0。從地心坐標系轉換到發(fā)射坐標系，可用如下轉換矩陣：

GE=M2[-(90°+A0)]M1[B0]M3[-(90°-λ0)]=

其中，M1、M2、M3分別代表繞坐標系x軸、y軸、z軸旋轉某一角度后對應的坐標轉換矩陣，下同。

a11=-sinA0sinλ0-cosA0sinB0cosλ0

a12=sinA0cosλ0-cosA0sinB0sinλ0

a13=cosA0cosB0

a21=cosB0cosλ0

a22=cosB0sinλ0

a23=sinB0

a31=-cosA0sinλ0+sinA0sinB0cosλ0

a32=cosA0cosλ0+sinA0sinB0sinλ0

a33=-sinA0cosB0

若將地球考慮為圓球，只需將上式中B0、A0分別用地心緯度φ0和地心方位角α0代替即可。

2.7 彈體坐標系與發(fā)射坐標系轉換

這兩個坐標系的關系用以反映彈體相對于地面坐標系的姿態(tài)。從發(fā)射坐標系轉換到彈體坐標系，可用如下轉換矩陣：

其中：

b11=cosφcosψ

b12=sinφcosψ

b13=-sinψ

b21=cosφsinψsinγ-sinφcosγ

b22=sinφsinψsinγ+cosφcosγ

b23=cosψsinγ

b31=cosφsinψcosγ+sinφsinγ

b32=sinφsinψcosγ-cosφsinγ

b33=cosψcosγ

其中，φ為俯仰角，彈體縱軸在射擊平面上的投影與ox軸的夾角，投影在上方為正；ψ為偏航角，彈體軸與射擊平面的夾角，在射擊平面左側時為正；γ為滾轉角，導彈繞縱體軸旋轉的角度，當角速度與o1x1軸方向一致時為正。

2.8 彈體坐標系與彈載天線坐標系轉換

從彈體坐標系轉換到彈載天線坐標系，可用如下轉換矩陣：

3 計算方法

3.1 天線增益計算方法

對設計出來的數據鏈信號接收機和發(fā)射機進行大量試驗測試，獲得其天線方向圖(不同方位的天線增益值)。根據導彈飛行過程中位置和姿態(tài)變化，插值計算獲得天線實時增益，具體計算流程框圖如圖2所示。

圖2 天線增益計算流程框圖

定義鏈路方向向量由接收天線中心指向發(fā)射天線中心。天線增益測試及計算涉及的兩個角度定義如下：

Θ為鏈路方向向量與天線Z軸的空間夾角，范圍[0,180°]；Φ為鏈路方向向量在XOMTY平面內的投影，與X軸的夾角，從X軸正向往Y軸正向方向為正，范圍[0,360°]。

已知地面站點位為大地緯度φ，大地經度λ，高度H，計算地面站點在地心坐標系的坐標如下：

其中，Rae為地球長半軸，e為第一偏心率平方。

地面站在發(fā)射坐標系內坐標為

鏈路方向向量在發(fā)射坐標系內坐標為

其中，XG、YG、ZG為導彈在發(fā)射坐標系內的坐標。

鏈路方向向量在彈體坐標系內坐標為

鏈路方向向量在彈載天線坐標系內坐標為

鏈路天線方向角計算如下：

Θ=arccos(ZTL/R)

根據計算出來的Θ、Φ，利用測試得到的天線方向圖數據，進行二維插值獲得天線的具體增益值。

3.2 鏈路余量計算方法

根據衛(wèi)星通信原理[9]，在數據鏈接收機輸入端口接收到的信號功率可用如下公式進行計算：

Pin(dBm)=EIRP(dBW)+30-L0(dB)-

Lj(dB)-La(dB)-Lz(dB)+GR(dB)-Ll(dB)

其中，

1)EIRP為發(fā)射機的等效各向同性輻射功率，具體計算公式為

EIRP(dBW)=功率放大器輸出功率(dBW)-

線纜衰減(dB)+發(fā)射天線增益(dB)

其中，功率放大器輸出功率根據產品的測試結果獲取，線纜衰減根據經驗選取，發(fā)射天線增益，根據試驗獲得的天線方向圖，結合彈道數據實時計算插值獲取。

2)L0為自由空間傳輸損耗，計算公式為

L0=32.4+20lgR(km)+20lgf(MHz)(dB)

其中：R為通信距離，f為數據鏈路工作頻率。

3)Lj為極化損耗，依據設計經驗取值；

4)La為大氣損耗，根據不同頻段進行取值，如S頻段取值1 dB；

5)Lz天線指向誤差損耗，取經驗值；

6)GR為接收天線增益，根據試驗獲得的天線方向圖，結合彈道數據實時計算插值獲取；

7)Ll為接收饋線損耗，取經驗值。

在發(fā)動機工作時，發(fā)動機噴管噴出的火焰中含有等離子體，會對無線電信號產生干擾使信號減弱，因此進行鏈路計算時需要考慮火焰衰減，本文不考慮此項。

計算出數據鏈接收機輸入端口接收到的信號功率Pin后，減去接收機的靈敏度(產品測量結果)，獲得鏈路余量。當鏈路余量大于設計值時，則認為可以正常接收到數據信號，否則無法正常接收數據鏈中傳輸的數據信號。

4 仿真分析

按照本文提出的計算方法，對某典型彈道進行地→彈鏈路余量計算仿真分析。彈→地鏈路余量計算方法與此類同。其中，導彈在發(fā)射系內坐標和姿態(tài)角如下(圖3～圖10)：

圖3 X坐標

圖4 Y坐標

圖5 Z坐標

圖6 姿態(tài)角

鏈路余量計算結果如下：

圖7 彈載天線方向角

圖8 彈載接收機天線增益

圖9 地面站發(fā)射天線增益

圖10 鏈路余量計算結果

可以看到，若鏈路余量要求不小于5 dB，則導彈飛行全程均滿足要求，即導彈能夠全程正常接收到地面站發(fā)送的傳輸信號，但在飛行末端，由于導彈機動，鏈路余量較小，存在一定的數據傳輸風險。

5 結論

本文提出了一種天線增益和數據鏈路余量計算的方法，該方法結合不同研究對象可推導出具體的設計過程，具有通用性。仿真結果表明，設計的方法正確可行，可為工程型號研制提供技術支撐，具有廣闊的應用前景。