天線回轉中心偏離陣列球心對測向的影響?

鄭星，賀金龍，高軍山，李芷，楊黎都

天線回轉中心偏離陣列球心對測向的影響?

鄭星，賀金龍，高軍山，李芷，楊黎都

（解放軍63880部隊，河南洛陽471003）

在微波暗室內進行射頻仿真試驗時，必須保證被試裝備天線回轉中心和天線陣列的球心重合，否則就會引起測向誤差，從而影響對被試裝備性能的科學評估。分析了對心不準對裝備測向測試結果的影響，建立了測向誤差的分析模型，并且結合實例詳細分析了偏心距離和測向誤差的關系。相關分析模型和結論可以作為對心設備建設中對對心精度的指標論證的依據，也可以為仿真試驗戰情的設計提供科學的借鑒。

射頻仿真試驗系統；天線陣列；對心設備；測向誤差；被試裝備

1 引言

在雷達對抗裝備中，偵察測向的任務在于測得輻射源的方位，為干擾設備提供精確的方位引導。偵察設備的測向精度即測向準確度，是測量值與被測目標真實方位之間的差值，測向精度是偵察設備最重要的指標之一。半實物仿真試驗系統為電子戰裝備的研制、性能評估提供密集、復雜、逼真、動態的電磁威脅信號環境，對于電子戰系統的研制開發、試驗鑒定具有十分重要的意義。在雷達對抗輻射式仿真試驗中，被試的雷達對抗裝備接收球面天線陣列輻射的雷達和干擾信號，根據天線陣列三元組工作原理和偵察系統測向的基本原理，必須保證被試裝備天線回轉中心和天線陣列的球心重合，否則就會產生測向誤差［1-3］。而保證“兩心”重合的工作是由對心設備完成的，對心設備有經緯儀、全站儀或小型激光器等多種方案；對心方法有兩線交叉、三點交會等。但無論是哪種工程實現方法，對心設備及測量方法產生的誤差都無法完全消除，這樣被試裝備天線回轉中心與球面天線陣的球心就會不完全重合。那么，偏差達到什么程度是仿真試驗測試可以接受的呢？本文在分析仿真試驗對心過程的基礎上，建立了對心不準引起的被試裝備測向誤差分析模型，重點結合偏心不偏軸和偏心偏軸兩種情況產生的測向誤差進行了詳細分析，希望可以為對心設備和對心方法的論證提供科學參考，為射頻仿真試驗誤差分析提供有益的借鑒。

2 不同心引起的測向誤差分析

通過輻射單元陣列輻射方式模擬產生被試裝備試驗所需的電磁信號環境，利用多自由度轉臺模擬被試裝備運載平臺的運動姿態及機動特性，同時通過被試裝備的天線及饋電系統接收由輻射單元陣列輻射的各種模擬信號，進行裝備的作戰能力檢驗的系統，我們稱之為射頻仿真試驗系統［4］。微波暗室是射頻仿真試驗系統的組成部分之一，其一端是放置在靜區的三軸飛行轉臺或裝備承載平臺，另一端是球形天線陣列［5］。

仿真試驗前，必須對被試裝備天線進行調零操作［6-7］。首先是用對心設備進行“對心”，使被試裝備天線的中心與靜區中心（球面陣球心）重合。由于天線陣的球心是空間的一個點，并且被試裝備天線的回轉中心也不能直觀地標識，一種基于經緯儀或全站儀的對心方法就是：通過暗室外的對心窗口建立坐標系，在被試裝備天線大致放到指定位置后，再利用經緯儀或全站儀等對心設備進行精確調整，對心設備測量被試裝備回轉中心與球面天線陣列的球心之間的偏差，給出誤差信號，傳送給平臺或轉臺，再由平臺或轉臺調整被試裝備天線的回轉中心，使之與天線陣的球心重合。“對心”完成后，再使陣列“零位”天線輻射信號用被試裝備天線對準，進行“對軸”，使被試裝備天線與球面陣零位一致。由于“對軸”誤差主要是由被試裝備天線的測向性能決定的，且其在數據處理時可以消除［8-9］，所以對軸不準產生的測向誤差這里不作分析，重點對由于對心不準產生的測向誤差進行分析。

建立如圖1所示的直角坐標系，O（0，0，0）點為靜區中心（球面陣球心），B（x1，y1，z1）點為目標源的位置，OB之間的距離為R，A（x0，y0，z0）點為測向天線由于安裝偏離球面陣球心的偏心點，偏心距離為d（即OA），陣列“零位”天線為F（0，R，0）。

則測向誤差為

式中，α為目標真實角度值，β目標角度測量值。

目標源B點的坐標常用方位-俯仰角表示為（R，θ，φ），有：

式中，R為球面陣列的半徑，θ為目標源相對于靜區中心的方位角，φ為目標源相對于靜區中心的俯仰角。

同樣，將A點表示為（d，θ1，φ1），有：

根據圖1所示球心O、目標源B和天線回轉中心A等各位置的關系，可以得到目標真實角度值α為

目標角度測量值β為

其中：

將式（2）、（3）代入式（1）就可以得到由于對心不準產生的測向誤差的計算模型。

3 仿真分析

如果被試裝備天線回轉中心與球面陣球心不重合，就會有3種情況：第一種情況是不偏心、偏軸；第二種情況是偏心、不偏軸；第三種情況是偏心、偏軸。顯然，第一種情況是由于對軸不準產生的測向誤差，這里不作討論，重點分析后兩種由于對心不準而產生的測向誤差情況。

（1）偏心、不偏軸

當偏心點在“零軸”（Y軸，即球心與陣列“零位”天線的連線）上時，就會出現偏心、不偏軸的情況。偏心點即天線回轉中心選在t1、t2、t3、t4、t5、t6的位置，它們到球心的距離分別為10 cm、5 cm、1 cm、-1 cm、-5 cm、-10 cm。用Matlab分別對各偏心點時的測向誤差進行計算，偏心點在Y軸上的位置示意及測向誤差的結果如圖2所示。

由圖2可知：對一固定目標源，當天線回轉中心在陣列零軸上且距離球心越遠時，由于不同心產生的測向誤差也越大；當天線回轉中心在陣列零軸上一固定點時，目標源為陣列“零位”天線時測向誤差最小，目標源距離陣列“零位”天線越遠測向誤差越大。

（2）偏心、偏軸

當偏心點不在“零軸”上時，就會出現偏心、偏軸的情況。

首先，計算偏心點在X軸上時的情況，偏心點（s1、s2、s3、s4、s5、s6，它們到球心的距離分別為10 cm、5 cm、1 cm、-1 cm、-5 cm、-10 cm）的位置示意及測向誤差的結果如圖3所示。

再計算偏心點在Z軸上時的情況，偏心點（k1、k2、k3、k4、k5、k6，它們到球心的距離分別為10 cm、5 cm、1 cm、-1 cm、-5 cm、-10 cm）的位置示意及測向誤差的結果如圖4所示。

通過圖3、圖4和圖2結果的比較可以發現：偏心、不偏軸引起的測向誤差明顯大于由于偏心、偏軸時產生的測向誤差；測向誤差的最大值總是發生在當目標源為陣列的邊緣處時。

這樣，我們應用式（1）、式（2）、式（3）建立的測向誤差計算模型，就可以基于偏心、不偏軸的情況，找到產生最大測向誤差的陣列上的目標源Bδmax位置，然后根據Bδmax計算出偏心距離的允許值，結果如圖5所示。

如當仿真試驗時，要求由于對心不準產生的測向誤差不超過0.1 mrad，那么被試裝備天線回轉中心與球心的距離就必須保證在8.3 mm以內；若要求測向誤差在1 mrad以內，那么偏心距離就必須保證不超過83 mm。

4 結束語

進行偵察裝備性能的射頻仿真試驗之前，必須利用對心設備對被試裝備的天線進行對心操作。本文分析表明：由于對心不準而造成的偏心不偏軸引起的測向誤差明顯大于由于偏心偏軸時產生的測向誤差，而且測向誤差的最大值總是發生在當目標源為陣列的邊緣處時。另外，為確保對心因素對偵察測向設備測向性能測試結果的影響在限定的精度范圍內，被試裝備天線回轉中心與陣列球心的偏離就必須控制在一定的距離范圍內，這也就是對對心設備和對心方法提出的相應對心精度的指標要求。本文建立的分析模型和相應的分析結果，既可以指導對心系統建設和對心方法研究，同時還可以為試驗設計時目標源位置的選取提供借鑒。

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Impact of Equipment under Test（EUT）Antenna Rotating Center
Deviating Antenna Array Centre on Direction-finding

ZHENG Xing，HE Jin-long，GAO Jun-shan，LI Zhi，YANG Li-du
（Unit 63880 of PLA，Luoyang 471003，China）

RF simulation test in microwave anechoic chamber must ensure Equipment under Test（EUT）antenna rotating center and antenna array centre to be coincided，otherwise it will cause direction-finding（DF）error，thus affecting the scientific assessment of equipment performance.The influence of antenna rotating center deviating antenna array centre on equipment performance test results is analysed，a DF error analysis model is established and the relationship between eccentric distance and DF error is discussed through an example.This research work not only can be used as the basis of the center coincidence device in the construction of the precision index demonstration，but also can provide scientific reference for simulation scenario design.

radio frequency simulation system；antenna array；center coincidence device；direction-finding error；equipment under test（EUT）

the B.S.degree from Northwestern University and the M.S.degree from PLA National University of Defense Technology in 2000 and 2007，respectively.He is now an engineer.His research concerns RF simulation test technology and its application.

1001-893X（2012）07-1202-04

2011-12-21；

2012-04-10

TN955

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.032

鄭星（1976—），男，陜西西安人，2000年于西北大學獲學士學位，2007年于國防科學技術大學獲碩士學位，現為工程師，主要研究方向為射頻仿真測試技術及其應用。

Email：zhx961079＠yahoo.com.cn

ZHENG Xing was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1976. He