單脈沖天線角度跟蹤模擬技術

蘇 勛

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

單脈沖天線角度跟蹤模擬技術

蘇 勛

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

通過對單脈沖天線方向圖數學模型的研究,提出了一種角度跟蹤模擬方法。采用信標和數控衰減器組合的方式,結合VxWorks操作系統成功實現了天線主、副瓣信號的模擬,工程應用情況良好,對當前武器裝備仿真模擬訓練系統的研制具有重要的參考價值。

測控系統;單脈沖天線;天線方向圖;偏離角模擬;天線副瓣

1 引 言

仿真模擬訓練系統的研制是當前武器裝備建設的重要內容,在測控領域已經引起了廣泛關注。對靶場測控系統使用的訓練模擬器而言,模擬內容包括角跟蹤性能模擬、距離和速度動態模擬[1-3]、遙測遙控功能模擬、數傳接收解調性能模擬等多項具體內容,其中角跟蹤性能的仿真模擬難度較大。

測控系統中角度捕獲是關鍵,它關系到整個測控活動的成敗。S頻段測控系統可以通過跟蹤過境衛星進行角度捕獲的任務演練,但對于C頻段測控系統,由于沒有過境的低軌衛星跟蹤,測控系統缺少一種可隨時對設備跟蹤性能進行檢查、模擬演練的環境,因此有必要研究一種角跟蹤模擬設備,與測控系統的天線與接收分系統一起構成角跟蹤閉環系統,通過模擬各種測控活動前的校相過程、實際捕獲過程,以達到對崗位人員進行實景訓練提升技能的目的。

2 角跟蹤仿真模擬原理

角跟蹤模擬器以射頻信號源、數控衰減器、數控移相器、信號處理單元為基礎構建硬件模擬環境,模擬信號從高頻接收機場放輸入端注入測控系統。根據天線和路/差路信號幅度歸一化數學模型進行波束跟蹤信號仿真,可得到天線波束捕獲目標過程中完整的和路/差路信號電平、天線偏離角、誤差電壓理論值等原始數據;通過天線對塔標校可獲得跟蹤系統的AGC-S/Υ曲線、和路與差路信號在波束內的真實幅度差值。據此可建立天線偏離角與角誤差信號之間的參數映射表,存儲在信號處理單元中以備調用。

進行系統跟蹤性能模擬仿真時,根據所選飛行器的理論軌道預報數據,通過數字引導(或手動)方式將天線置于目標進站點,采用時間符合方式控制系統模擬進程。待目標進入天線波束以后,角跟蹤模擬器根據軌道預報值與天線當前實際指向值之間的角度偏差,分別計算出天線指向的方位和俯仰偏離角;根據天線偏離角,通過查表方式從角誤差映射表中獲取方位、俯仰誤差模擬衰減器的相應衰減量,模擬產生饋源激勵出的和、差電壓信號。和路、差路跟蹤信號再經過高頻接收鏈路放大、下變頻后送中頻跟蹤接收機,在跟蹤接收機中進行角誤差信號解調,輸出角誤差信息給天線控制單元,完成系統角度閉環跟蹤。

通過仿真模擬軟件,瞬間切斷角跟蹤模擬器輸出的和路、差路信號,可以模擬目標突然丟失的情況,來輔助訓練崗位人員快速、重新捕獲目標的應對能力。

角跟蹤性能的仿真模擬工作原理如圖1所示。

圖1 角跟蹤模擬器工作原理框圖Fig.1 Operation principle diagram of the angle tracking simulator

3 角度跟蹤模擬功能實現方案

3.1 雙通道單脈沖體制角誤差信號數學模型

為了提高跟蹤精度,TT&C測控站使用的雙通道單脈沖天線大部分采用多模饋源結構。在接收單頻信號時,以天線三軸中心為原點建立XOY平面測量坐標系,如圖2所示。

圖2 地面站測量坐標系示意圖Fig.2Sketch map of measurement reference frame of the ground station

當角度誤差θ很小時,天線接收到的和路信號(∑)可以表示為

差路信號(Δ)可以表示為

差信號進一步表示為

由上式可以看出,差信號的前項為方位誤差信號,后項為俯仰誤差信號。差信號sΔ(t)在跟蹤接收機中進行相干鑒相,和信號相移90°后與差信號相乘鑒相得到方位誤差信號,和信號與差信號相乘鑒相得到俯仰誤差信號,低通濾波后得到方位誤差電壓UA和俯仰誤差電壓UE分別為

式中,Ks為鑒相器增益因子。由式(4)、(5)可以看出,方位、俯仰的角誤差信號與目標偏離天線電軸的角度θ成正比。

利用式(1)、(2)可以建立單脈沖天線方向圖的簡化模型,如圖3(a)所示,該模型適用于信號入射方向與天線電軸偏離角度不大的情況(差波束線性區內)。當偏離角θ較大時(非線性區),可采用圖3(b)所示方向圖模型,該模型由若干拋物線構成,是對實際天線和差方向圖的近似。圖3(c)是一個天線實際測量出的和差方向圖的一部分。

圖3 天線方向圖建模曲線Fig.3Modeling curve of antenna pattern

3.2 硬件設計

根據天線方向圖簡化模型構建的模擬電路原理如圖4所示。信標單元模擬產生衛星或飛船的下行射頻信號,工作頻率由信號處理單元控制。接口卡與天伺饋分系統軸角編碼器通信,實時獲取天線角度數據A′、E′,并將天線實時角度數據送主CPU卡。主CPU卡接收A′、E′和軌跡數據文件提供的天線A、E角度值,并完成方位偏離角和俯仰偏離角的實時計算,計算結果送信號處理單元。信號處理單元完成相應的數值換算,通過A、E方向圖歸一化差信號幅度查表,實現對角度模擬衰減器衰減量的數字化控制。

圖4 角誤差信號模擬原理框圖Fig.4 Principle diagram of angle error signal simulation

下行射頻信標信號送距離模擬數控衰減器,地面站到目標的空間距離模擬功能完成后,射頻信號送往功分器1進行信號分路。和路信號直接輸出,差路信號分為方位差和俯仰差兩路信號。兩路差信號分別送衰減范圍為40 dB的偏離角模擬衰減器1、2,角度模擬控制到位后,將方位差路信號移相90°后與俯仰差路信號合成一路輸出。按照目標當前的距離值對距離模擬衰減器進行信號電平控制,將天線的A、E歸一化差方向圖關系表存放在信號處理單元中,根據偏離角度隨時調用差信號衰減量,控制偏離角模擬衰減器1、2,即可實現角誤差信號的模擬功能。

3.3 角度模擬軟件設計

角跟蹤模擬器軟件主要功能如下:完成硬件模塊狀態參數的實時監視、控制及管理;模擬產生軌跡數據文件或接收監控臺的軌跡數據文件;接收天伺饋分系統的實時角度數據,經過合法性判決、處理后轉發至信號處理單元。角跟蹤模擬軟件由監控軟件、通信和目標模擬軟件兩部分組成。

監控軟件采用Windows XP SP2操作系統,提供良好的人機交互界面,用于對硬件電路參數和工作狀態進行監視、設置,將采集的各類信息上報監控分系統,產生軌跡數據文件等。

通信和目標模擬軟件采用VxWorks 5.5實時操作系統,用于完成軌跡數據文件、天伺饋分系統實時角度數據的實時接收、處理、定時發送任務。

3.4 天線副瓣的模擬

當天線指向偏離目標角度較大時,目標將落入地面天線副瓣。在副瓣間的一定區域,通過天線接收到目標信號的特性與主瓣接收到的目標特性相同,當伺服操作手經驗不足時,往往會誤認為目標已經捕獲,錯誤地將天線切換為自跟蹤狀態。靶場測試結果表明,副瓣接收到的信號誤差電壓線性范圍更小,信號不穩定,采用副瓣跟蹤很容易丟失目標,甚至出現天線飛車現象。因此,通過對天線副瓣的仿真模擬,讓操作手對副瓣信號的特性有更深入的認識,對于保障測控活動的圓滿成功意義重大。

經過外場試驗研究,天線副瓣信號與主瓣信號的主要差異如下:信號幅度相差14 dB以上(第二副瓣-20 dBc左右、三階副瓣-30 dBc左右、遠旁瓣電平小于-40 dBc);副瓣跟蹤目標時,誤差電壓線性范圍、差斜率不再遵循主波束跟蹤線性度的設計要求,極化特性、電平穩定性能嚴重惡化,難以穩定跟蹤目標。天線副瓣信號模擬時需要體現上述特征。

為了真實、準確地模擬出天線副瓣的信號特征,以外場實際測量出的天線方向圖為依據,準確繪制出主波束以外各個角度上的和差信號幅度差-偏離角關系、和差信號幅度差-誤差電壓關系、偏離角-誤差電壓關系、偏離角-AGC電壓關系4組定標曲線(偏離角包括方位、俯仰二維),建立數據映射表;通過查表方法獲取和差信號幅度差的控制量,直接對圖4中角度模擬衰減器、距離模擬衰減器進行控制,即可實現天線副瓣接收信號的模擬。

3.5 角度模擬精度

角度模擬精度主要取決于以下兩個方面的制約因素:一是硬件設備的控制精度,即角度模擬衰減器的步進精度;二是軌跡模擬數據的軟件控制精度。

3.5.1 硬件設備精度分析

根據式(3),θ cosφ為方位偏離角度,θ sinφ為俯仰偏離角度,其模擬完全由衰減器實現,因此角度模擬精度與數控衰減器的精度有關。

由天線差斜率的定義,可推導出和差信號幅度差ΔA(即衰減器的衰減量)與目標偏離角度之間的關系 。令 ζ1=θ cos ,ζ2=θ sin ,則有

式(6)說明偏移角度 ζ1、ζ2的模擬精度不僅與衰減器的精度有關,也和模擬角度的大小有關,而衰減器的精度隨著衰減量的增大而變差。

射頻數控衰減器的控制精度與衰減量大小相關,當衰減量為20～40 dB時,衰減器控制精度為0.2～0.4 dB;當衰減量為0～10 dB時,衰減器控制精度可達到0.2 dB。

實際模擬過程中,ζ不超過10 mil(對應最大角誤差電壓5 V)。數控衰減器精度按0.2 dB計算,控制精度最差為0.15 mil(約0.009°,對應最小角誤差電壓75 mV),即方位、俯仰角度控制精度可以達到0.15 mil,不會對交差耦合以及自跟蹤產生影響。

3.5.2 軟件精度分析

軟件的精度主要取決于偏離角數據的獲取,以及模擬控制的實時響應精度。

角度數據的實時接收、處理、定時發送采用Vx-Works 5.5實時操作系統來實現。VxWorks實時操作系統與Windows相比,具有高優先級任務可快速強制執行、數據傳送時延穩定等優點。

通信和目標模擬數據從網絡傳輸到CPCI總線需要經過如下幾個步驟,消耗時間如下。

(1)從網絡接收數據耗費時間

TCP/IP協議棧時間 T1<300 μ s(1 500byte/packet),網絡接收函數時間T2<15 μ s,數據預處理時間T3<20 μ s。

(2)CPCI發送耗費時間

隊列發送時間 T4<1.5 μ s,任務切換時間T5<2 μ s,隊列接收時間 T6<1 μ s,CPCI發送時間 T7<100 μ s(估算)。

總耗費時間:T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7<450 μ s。

按照模擬角速度10°/s來計算,450 μ s引入的角度滯后誤差為0.075 mil,對應角誤差電壓40 mV,完全不會對角度自跟蹤穩定性帶來影響。

4 工程驗證情況

目前,S/C頻段角跟蹤模擬器已研制完成,并在外場開展了系統聯試和驗收測試。角跟蹤模擬器按圖1接入現役測控設備構成角跟蹤閉環系統,由軌跡數據文件模擬產生校飛飛機(或過境衛星)的運行軌跡、徑向距離、角度數據;模擬器輸出包含有天線偏離角度、目標距離等信息的射頻模擬信號,饋送至跟蹤信道。通過多次模擬試驗,模擬產生的空間運動目標與任務中真實目標的運動特性無明顯區別,角度捕獲整個過程與實際測控活動中的捕獲過程一致,伺服系統自跟蹤正常、平穩,滿足用戶使用要求。

5 結束語

采用上述方法研制的角跟蹤模擬器目前已經在測控系統中成功應用。角跟蹤模擬器可真實地模擬天線產生的主瓣、副瓣信號、角誤差信號,模擬校相過程、角度捕獲過程、自跟蹤過程與實際參加測控的流程相同。系統聯式中發現,軟件的精度以及角度數據的頻率對角跟蹤模擬的性能影響較大,如何提高角度數據的頻率是需要進一步研究的方向。

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SU Xun was born in Santai,SichuanProvince,in 1978.She received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2001.She is now an engineer.Her research concerns TT&C communication system for aerial vehicles.

Email:suxun20081225@163.com

Angle Tracking Simulation Technology for Monopulse Antenna

SU Xun
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

An angle tracking simulation method is proposed based onmathematicmodel of the monopulse antenna pattern.Signal simulation of both main lobe and side lobe of the antenna is successfully realized on the platform of VxWorks operation system by adopting both beaconing and digital controlled attenuator.The proposed simulator works well in engineering application.The work in this paper has important reference to the research of simulation training system for current weapon equipment.

TT&C system;monopulse antenna;antenna pattern;deviation angle simulation;antenna side lobe

TN82;V556

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.023

1001-893X(2012)06-0948-04

2012-03-05;

2012-05-18

蘇 勛(1977—),女,四川三臺人,2001年于電子科技大學獲學士學位,現為工程師,主要研究方向為飛行器測控總體技術。