水面靶標(biāo)雷達(dá)輻射源天線實時引導(dǎo)的實現(xiàn)

王海濤，馬春波

（遼寧省大連市91550部隊43分隊，遼寧大連，116023）

0 引言

水面靶標(biāo)[1]的作用是為反艦武器海上飛行試驗提供水面艦艇目標(biāo)模擬，安裝于水面靶標(biāo)的雷達(dá)輻射源用于模擬導(dǎo)航雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)等多種艦載雷達(dá)[2]的電磁輻射特性，為反艦武器系統(tǒng)雷達(dá)被動導(dǎo)引頭[3]提供目標(biāo)指示。海上試驗時艦載雷達(dá)模擬主體裝備，即雷達(dá)輻射源的靶載設(shè)備安裝于靶標(biāo)船體，工作時無人值守，其海試時工作狀態(tài)控制由陸上遙控地面站試驗人員通過無線方式遠(yuǎn)程遙控操作[4]，要求雷達(dá)輻射源的發(fā)射天線陣列始終指向反艦武器的跟蹤導(dǎo)引頭，以達(dá)到反艦武器跟蹤性能考核的目的。

1 雷達(dá)輻射源

在海上使用環(huán)境中，由于雷達(dá)輻射源所在的靶標(biāo)船體平臺自身姿態(tài)為水面航行或錨泊狀態(tài)[5]，且跟蹤攻擊靶標(biāo)飛行的反艦武器位置也始終在高速機動變化，所以雷達(dá)輻射源的天線陣面應(yīng)具有自動指向調(diào)整功能，以確保天線波束始終對準(zhǔn)被試反艦武器。

■1.1 雷達(dá)輻射源組成

雷達(dá)輻射源系統(tǒng)組成包括位于船體上的靶載設(shè)備和地面遙控站兩部分，圖1為系統(tǒng)靶載設(shè)備和遙控終端組成框圖。靶載設(shè)備主要由信號產(chǎn)生分系統(tǒng)、天線陣面分系統(tǒng)、伺服傳動分系統(tǒng)、雷達(dá)控制與計算機分系統(tǒng)、電源網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)和標(biāo)校設(shè)備組成；地面遙控站包括遙控計算機、遙控接口、微波或衛(wèi)星通信鏈路等。

圖1 雷達(dá)輻射源組成

圖2 伺服傳動分系統(tǒng)組成

信號產(chǎn)生分系統(tǒng)產(chǎn)生低功率雷達(dá)模擬信號，天線陣面分系統(tǒng)對低功率雷達(dá)模擬信號進行功率放大后，由天線輻射到空間。伺服傳動分系統(tǒng)由伺服控制模塊、方位/俯仰驅(qū)動器、方位/俯仰電機和三維姿態(tài)測量裝置[6]等組成，根據(jù)三維姿態(tài)測量裝置給出的船體搖擺實時信息，再根據(jù)實時接收的遙控地面站發(fā)送的目標(biāo)彈道信息，進行天線橫軸、縱軸的穩(wěn)定控制，保持發(fā)射天線陣面對反艦武器的精確對準(zhǔn)。雷達(dá)控制與計算機分系統(tǒng)由控制板、遙控組件[7]等組成，遙控組件接收地面遙控站發(fā)送的遙控指令，由控制板對靶載設(shè)備各分系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，同時接收目標(biāo)彈道信息發(fā)送給伺服傳動分系統(tǒng)；并向地面遙控站上傳靶載設(shè)備工作狀態(tài)信息。

■1.2 伺服傳動分系統(tǒng)工作原理

伺服傳動分系統(tǒng)[8]接收刀片計算機發(fā)送的引導(dǎo)數(shù)據(jù)作為位置輸入信號，與位置反饋信號即軸角編碼器數(shù)據(jù)比較，得到位置誤差信號；位置誤差信號經(jīng)過放大、校正，輸出速度控制信號經(jīng)CAN總線送給伺服驅(qū)動器，控制電機驅(qū)動天線向減小位置誤差信號的方向轉(zhuǎn)動；并根據(jù)三維姿態(tài)測量裝置給出的船體搖擺實時信息，實時接收遙控地面站發(fā)送的目標(biāo)彈道信息，進行天線橫軸、縱軸的穩(wěn)定控制。如圖2所示，伺服傳動分系統(tǒng)由伺服控制組合、天線座和三維姿態(tài)測量裝置組成。伺服控制組合由主控顯示模塊、方位/俯仰驅(qū)動器、方位/俯仰電機、軸角編碼模塊、繼電控制模塊、遙控盒等組成；天線座由支承結(jié)構(gòu)、方位/俯仰傳動系統(tǒng)、方位/俯仰數(shù)據(jù)傳動裝置、安全保護裝置等組成。三維姿態(tài)測量裝置由速率陀螺和慣導(dǎo)等組成。

圖3 伺服控制回路結(jié)構(gòu)圖

伺服控制回路如圖3所示。伺服系統(tǒng)方位、俯仰驅(qū)動均設(shè)計為一個三回路控制系統(tǒng)[9]，內(nèi)回路設(shè)計可以減少回路內(nèi)元件參數(shù)不穩(wěn)定和負(fù)載擾動對伺服系統(tǒng)的影響。控制回路由內(nèi)向外分別是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。伺服控制回路結(jié)構(gòu)。由于海浪的影響靶載天線在跟蹤和對準(zhǔn)目標(biāo)時，靶標(biāo)船體的縱搖和橫搖使得天線座的姿態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致天線無法實時對準(zhǔn)目標(biāo)，從而影響跟蹤及指向精度。目前常采用陀螺穩(wěn)定和前饋穩(wěn)定兩種策略隔離船搖對天線伺服系統(tǒng)的影響。針對方位俯仰型天線座，陀螺穩(wěn)定策略主要利用天線俯仰臂上的速率陀螺獲取天線方位俯仰速率進行閉環(huán)控制，進而隔離船體的搖擺影響。

針對船搖速度進行補償。利用船上慣導(dǎo)設(shè)備采集的船搖速度信息進行坐標(biāo)變換，得出天線伺服系統(tǒng)方位俯仰軸的速度環(huán)路補償量，從而實現(xiàn)船搖速度補償。船搖的姿態(tài)信息包含橫搖、縱搖、航向，三個軸向的船搖信息會對天線的指向造成擾動，在伺服系統(tǒng)內(nèi)對船搖擾動進行補償，可以消除船搖對天線指向的干擾。由于船搖擾動屬于低頻擾動，慣導(dǎo)內(nèi)部陀螺采樣率較高，且船載天線伺服系統(tǒng)的速度環(huán)帶寬并不高，因此可以忽略數(shù)據(jù)傳輸及計算造成的時間延遲。

2 目標(biāo)實時位置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

■2.1 靶載設(shè)備的目標(biāo)外引導(dǎo)彈道數(shù)據(jù)獲取

在海上試驗中，雷達(dá)輻射源可通過遙測信號[10]或者外測信號得到反艦武器，即目標(biāo)的彈道信息。雷達(dá)輻射源靶載設(shè)備可通過遙控接口，接收來自遙控地面站的外引導(dǎo)目標(biāo)實時彈道數(shù)據(jù)，通過雷達(dá)控制與計算機分系統(tǒng)經(jīng)過多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[11]解算后，再根據(jù)船體的實時坐標(biāo)位置、航向角、縱搖和橫搖姿態(tài)角綜合解算，得到伺服傳動分系統(tǒng)的兩軸轉(zhuǎn)臺方位跟蹤指令和俯仰跟蹤指令，從而控制驅(qū)動伺服轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)發(fā)射天線波束的動態(tài)對準(zhǔn)跟蹤，達(dá)到有效隔離船體的姿態(tài)變化和彈目相對運動[12]的目的。

■2.2 目標(biāo)實時位置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在實際海試中雷達(dá)輻射源靶載設(shè)備通過遙控信道獲取的目標(biāo)外部引導(dǎo)信息是目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度，通過多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可求得反艦武器在船體坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)值，其具體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的技術(shù)原理[13]如圖4所示。

設(shè)目標(biāo)在大地坐標(biāo)系O1－X1Y1Z1下的坐標(biāo)為 (Lt1,Bt1,Ht1)，將其轉(zhuǎn)化為地心坐標(biāo)系O2－X2Y2Z2下的坐標(biāo)值 (xt2,yt2,zt2)：

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理

在(1)式中，a和b分別為地球橢球的長半軸和短半軸，e為第一偏心率。

然后將目標(biāo)在O2－X2Y2Z2下的坐標(biāo)值 (xt2,yt2,zt2)轉(zhuǎn)化為原點位于地心的北天東坐標(biāo)系O3－X3Y3Z3下的坐標(biāo)值(xt3,yt3,zt3)：

同理，將船體在大地坐標(biāo)系O1－X1Y1Z1經(jīng)緯度坐標(biāo) (Lz1,Bz1,Hz1)轉(zhuǎn)化為地心坐標(biāo)系O2－X2Y2Z2坐標(biāo)值(xz2,yz2,zz2)：

將船體在地心坐標(biāo)系O2－X2Y2Z2坐標(biāo)值（xz2,yz2,zz2）轉(zhuǎn)化為原點位于地心的北天東坐標(biāo)系O3－X3Y3Z3下的坐標(biāo)值（xz3,yz3,zz3）：

將目標(biāo)在原點位于地心的北天東坐標(biāo)系O3－X3Y3Z3坐標(biāo)值 (xt3,yt3,zt3)轉(zhuǎn)化為原點位于船體幾何中心的北天東坐標(biāo)系O4－X4Y4Z4下的坐標(biāo)值 (xt4,yt4,zt4)：

則反艦武器在原點位于船體的北天東坐標(biāo)系O4－X4Y4Z4下的坐標(biāo)值 (xt4,yt4,zt4)轉(zhuǎn)化為在船體坐標(biāo)系O－XYZ坐標(biāo)值(x,y,z)：

由（6）式，則可解算出雷達(dá)輻射源兩軸伺服轉(zhuǎn)臺的方位指令α和俯仰指令β[14]分別為：

3 靶載設(shè)備標(biāo)校原理

雷達(dá)輻射源靶載設(shè)備標(biāo)校的目的是為了獲取發(fā)射陣面與伺服轉(zhuǎn)臺之間、伺服轉(zhuǎn)臺與船體之間的三維姿態(tài)初始偏差，以便作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時的初始化角度, 包括零位標(biāo)校和靶載設(shè)備三軸（光軸、電軸和機械軸）的一致性標(biāo)校。標(biāo)校裝置由光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡、標(biāo)頭、喇叭天線等設(shè)備組成。

■3.1 零位標(biāo)校

靶載設(shè)備天線陣面在進行方位和俯仰校準(zhǔn)前，首先要對鋼制靶載設(shè)備轉(zhuǎn)臺進行調(diào)平操作?？紤]到船體在停泊碼頭存在姿態(tài)變化難以進行精確標(biāo)校，對于伺服轉(zhuǎn)臺和三維姿態(tài)測量設(shè)備采用岸基標(biāo)校，固連安裝平臺后整體吊裝的方式進行。由于采取固連方式，整體吊裝于船體后，不會改變兩者的相對位置，即不會破壞岸基標(biāo)校結(jié)果，同時也降低了對設(shè)備的安裝要求。

方位零位標(biāo)校。利用光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡對轉(zhuǎn)臺設(shè)備進行方位標(biāo)校，并通過軟件裝訂伺服轉(zhuǎn)臺零位位置。標(biāo)校時，光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡裝在伺服轉(zhuǎn)臺上，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上保證其安裝軸線與轉(zhuǎn)臺零位線平行。利用兩處已知地標(biāo)，地標(biāo)A和地標(biāo)B相距1km左右，伺服轉(zhuǎn)臺位于在A處，地標(biāo)B處樹立標(biāo)校板。在地標(biāo)A通過光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡將轉(zhuǎn)臺設(shè)備對準(zhǔn)B處的標(biāo)校板，通過解算標(biāo)校板上的十字標(biāo)志與光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的連線與正北的夾角，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺設(shè)備方位零位的標(biāo)校。

俯仰零位標(biāo)校。俯仰標(biāo)校是在轉(zhuǎn)臺俯仰支臂上安裝一水平儀，并通過計算機控制俯仰支臂轉(zhuǎn)動，直至支臂上的水泡位于水平儀的中間位置，此時通過軟件裝訂零位位置。

■3.2 三軸一致性標(biāo)校

對天線陣面的機械軸、光軸和電軸的一致性標(biāo)?？稍诜轿粯?biāo)校完成后利用上述兩處地標(biāo)進行。通過測量天線電軸與光軸（代表機械軸）之間的固有偏差，并將此固有偏差加入至天線指向解算模塊，從而利用軟件修正的方式實現(xiàn)天線波束最大增益方向的精確指向控制。在實際標(biāo)校操作時，標(biāo)頭與標(biāo)校喇叭固連，安裝在標(biāo)校望遠(yuǎn)鏡軸線的延長線上，且標(biāo)校望遠(yuǎn)鏡與陣列天線的相對位置需與標(biāo)校喇叭與標(biāo)頭的相對位置一致。標(biāo)校望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)標(biāo)頭，即意味著陣列天線對準(zhǔn)了標(biāo)校喇叭天線，控制轉(zhuǎn)臺利用喇叭天線接收的信號幅度變化確認(rèn)天線電軸與機械軸之間的固有偏差，并以軟件修正或者天線安裝位置調(diào)整的方式完成陣列天線的機械軸、光軸和電軸的一致性標(biāo)校。

4 結(jié)束語

通過對雷達(dá)輻射源靶載設(shè)備的天線陣面進行零位標(biāo)校和三軸一致性標(biāo)校消除安裝誤差，在海試中系統(tǒng)的雷達(dá)控制與計算機分系統(tǒng)將實時無線接收的目標(biāo)大地坐標(biāo)系實時位置，經(jīng)過多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得反艦武器在船體坐標(biāo)系下的實時坐標(biāo)位置，再向伺服傳動分系統(tǒng)下發(fā)轉(zhuǎn)臺的方位和俯仰跟蹤控制指令，從而實現(xiàn)發(fā)射天線波束的動態(tài)對準(zhǔn)跟蹤，有效隔離船體的海上實時姿態(tài)變化和彈目相對運動。在反艦武器海上飛行試驗中雷達(dá)輻射源利用此技術(shù)解決方法，成功完成了靶標(biāo)保障工作。