陣列式射頻仿真系統模擬大視場角方法研究*

劉志永 褚建川 許 軻

(1.航空制導武器航空科技重點實驗室 洛陽 471099)(2.中國空空導彈研究院 洛陽 471099)

陣列式射頻仿真系統模擬大視場角方法研究*

劉志永1,2褚建川1,2許 軻1,2

(1.航空制導武器航空科技重點實驗室 洛陽 471099)(2.中國空空導彈研究院 洛陽 471099)

陣列式射頻仿真系統是驗證導彈性能的重要手段。針對仿真試驗過程中,由于天線陣列的目標角度模擬范圍受限,論文分別介紹了天線陣列和轉臺所做相應設置來解決這一問題,通過這些設計有效地擴大了陣列式仿真系統目標角度模擬能力,并通過仿真試驗驗證了文章觀點的正確性。

陣列式射頻仿真系統; 目標角度模擬; 飛行轉臺設置

Class Number TP311

1 引言

陣列式射頻仿真系統是驗證導彈性能的主要驗證手段,某陣列式射頻仿真系統如圖1所示[1],其中三軸轉臺和和陣列式天線陣列是射頻仿真系統的關鍵設備,三軸轉臺主要是模擬導彈在空中飛行時姿態的變化,而陣列式天線陣列主要模擬目標的角運動。這樣,導彈和目標的相對角運動在暗室的電磁環境中,可以逼真地模擬外場環境下的彈目運動,在這里進行半實物仿真,可以評估雷達制導導彈的作戰性能。

但是在陣列式射頻仿真系統中,由于試驗設備的物理硬件的限制,目標相對于導彈的視線角往往局限在較小的范圍內,使得某些發射條件無法得到滿足,為了解決此類問題,本文通過分析各個坐標系之間的關系,通過數學剖析的方法來分析問題,從而分別設計轉臺的驅動方法和陣列式天線角度設置,通過這些設計,解決了導彈視線角受限問題,擴大了陣列式射頻仿真系統的模擬能力。

2 陣列式射頻仿真系統視線角受限分析

在陣列式射頻仿真系統中,目標信號的模擬是通過陣列天線輻射電磁波來實現的。目標陣列有圓形陣列、六角形陣列、帶狀陣和混合陣等形式,某陣列式射頻天線為六角形天線陣列。在通常情況下,在進行仿真試驗時,以目標天線陣列的幾何中心為目標初始位置,隨著彈道的進行,目標的軌跡如圖2中的實線1所示。但是,隨著某些彈道的特殊需要,設計人員往往需要的目標軌跡如圖2中虛線2所示,這超出了陣列的范圍,就無法達到驗證彈道的目的。

圖1 陣列式射頻仿真系統的組成

圖2 目標模擬示意圖

為了解決這一問題,合理做法就是設計方法使得目標運動軌跡如圖2中虛線3所示。該方法就是要使得目標在陣列輻射位置相對于軌跡2的起始位置分別旋轉高低角β和方位角α,這樣,在整個彈道的目標軌跡全部都在陣列輻射信號的范圍內,可以實現驗證彈道的需求。旋轉高低角β和α大小確定的準則是在進行彈道過程中,使得彈體在轉臺上擺動時,整個彈道的視線角都在陣列輻射信號范圍內。該種方法的引入可以有效地改善半實物仿真系統的系能,擴大了陣列式射頻仿真試驗系統的能力。

本文下述部分將針對天線陣列旋轉的高低角和方位角來討論三軸轉臺的驅動設置和天線陣列角度設置,使得該方法順利應用于陣列式射頻半實物仿真系統中,提高試驗室的驗證能力。

3 模擬大視場角方法的實現

3.1 坐標系定義

陣列式射頻仿真系統涉及多個坐標系,為了方便描述問題并引入轉臺發射坐標系,首先介紹常用坐標系統[2]。

1) 慣性坐標系(地面坐標系Axyz):與地球表面固聯,原點A常取在導彈發射點;Ax軸指向彈道面與水平面的交線,指向目標為正;Ay軸沿垂線向上,Az軸與其他兩軸垂直并構成右手坐標系。

2) 彈體坐標系Ax1y1z1:Ax1軸與彈體縱軸重合,指向頭部為正;Ay1軸位于彈體縱向對稱面內與Ax1軸垂直,指向上為正;Az1軸垂直于Ax1y1平面,方向按右手直角坐標系確定。

3) 試驗室坐標系(轉臺發射坐標系)Aztxztyztzzt:定義三軸轉臺的回轉中心(天線陣列的球面的球心)為坐標系原點,Aztxzt軸指向陣列的中心點,Aztyzt軸垂直向上,Aztzzt軸由右手法則確定。當轉臺不旋轉時,試驗室坐標系與轉臺三個軸重合,因此試驗室坐標系又稱轉臺發射坐標系;當設置初始角度時,轉臺發射坐標系依次旋轉兩個角度:即先繞OztYzt軸轉動α角,再繞OztZzt軸轉動β角,最終形成慣性系Axyz。

4) 目標陣列坐標系:目標的輻射的高低角bet和方位角alfa是由慣性系下的彈目位置關系確定的,其關系為

bet=asin(YO/D)

(1)

alfa=-atan(ZO/XO)

(2)

式中XO,YO,ZO為彈目相對距離在慣性系下的投影,D為彈目相對距離。

各個坐標變換關系如圖3所示。

圖3 各個坐標系之間的關系

3.2 目標輻射角度確定

由于天線陣列使用的也是轉臺發射坐標系,設目標在坐標系為旋轉之前的輻射坐標為M,對應的慣性系下的直角坐標系的值為(XO,YO,ZO),則對應的角度值為(alfa,bet);如果要旋轉的高低角和方位角分別為β和α,則轉臺發射坐標系依次繞對應的Y、Z軸旋轉α和β角度,假設在轉臺發射坐標系下的目標的直角坐標系值M′為(XOzt,YOzt,ZOzt),則有

(3)

式中,L(α),L(β)分別為坐標系繞Y,Z軸旋轉角度常值α,β角的方向余弦值:

(4)

(5)

則目標M′在轉臺發射坐標系下的目標實際輻射角位置為(alfazt,betzt)為

alfazt=-atan(ZOzt/XOzt)

(6)

betzt=asin(YOzt/D)

(7)

3.3 三軸轉臺初值設置和驅動方程設計

從圖3中各個坐標系間的旋轉變換關系可知,已知彈體坐標系相對于慣性坐標系旋轉的角度為ψ,θ,γ,慣性系相對于轉臺發射坐標系旋轉的角度為α和β,則在轉臺發射坐標的任意的單位向量[x,y,z]′,則有

(8)

式(8)中,等式的右邊ψ,θ,γ為已知的彈體姿態角,α,β為目標在陣列上旋轉的方位角、高低角,等式的左邊的ψ2,θ2,γ2為要求的轉臺發射坐標系轉動的角度。則根據式(8)可以得到

(9)

(10)

其中

A12=cos(θ)*cos(ψ)*sin(β)+sin(θ)*cos(β)

A13= -cos(θ)*cos(ψ)*sin(β)*sin(α)

+sin(θ)*sin(β1)*sin(α)

-cos(θ)*sin(ψ)*cos(α)

A11= cos(θ)*cos(ψ)*cos(β)*cos(α)

-sin(θ)*sin(β)*cos(α)

-cos(θ)*sin(ψ)*sin(α)

A32= (sin(θ)*cos(ψ)*sin(γ)+sin(ψ)

*cos(γ))*sin(β)+(-cos(θ)

*sin(γ))*cos(β)

A22= (-sin(θ)*cos(ψ)*cos(γ)+sin(ψ)

*sin(γ))*sin(β)+(cos(θ)

*cos(γ))*cos(α)

可以求得在陣列旋轉角度相應的方位角和高低角(α,β)后,轉臺應執行的初始角度(ψ2,θ2,γ2)。

根據歐拉角旋轉的次序和坐標轉換關系[2],可以求得彈體角速度和環架旋轉角速度的關系如下所示。

(11)

圖4 仿真轉臺環架結構圖

則可以求得轉臺的轉動角度為

(12)

即方程(13)

(13)

由式(13)可得轉臺在整個彈道過程中應執行的轉動角速度。

4 仿真試驗情況

為了保證在進行半實物仿真試驗時,使用本文設計的方案不會改變制導雷達的目標檢測信息,也就是不改變導引頭在彈體上觀察目標的角位置信息。即未旋轉前的目標M(在天線陣列角位置(alfa,bet))在彈體姿態角ψ,θ,γ投影下的彈體視線角和旋轉后的目標M′(在天線陣列角位置(alfa′,bet′))在彈體姿態角ψ2,θ2,γ2投影的彈體視線角應是相等的。通過驗證旋轉前后的彈體視線角的變化來驗證半實物仿真系統模擬大視場角試驗方法的正確性。為了驗證上述方法開展了半實物仿真試驗。以某型雷達導彈的彈道條件為例,對目標的方位和高低分別旋轉-8°和15°,則彈體系下目標角位置對比示意如圖5～6所示。

圖5 目標在彈體系下的方位角

圖6 目標在彈體系下高低角

由圖5和圖6可知,對目標方位和高低分別旋轉-8°和15°,并未改變導引頭在彈體上觀察目標的角度,由此可見,所設計的方法不會影響導彈末制導對目標檢測信息。

而此時,目標陣列的目標輻射信號,方位角從[0 12]變化到[-8 4],高低角從[-18 0]變化到[-4.5 13.5],可以有效地將輻射目標的軌跡從天線陣列的靠下區域移到靠近陣列的中心區域;轉臺的轉動范圍也發生變化,導彈偏航角從[0 30]變化到[-8 21],俯仰角從[-18 0]變化到[-5.88 15]。這樣可以有效利用目標陣列中心部分的目標模擬能力,防止因為目標視場角過大,出現天線陣列的范圍,造成仿真試驗無法進行的狀況。目標在天線上的方位角和轉臺的彈體姿態角變化曲線如圖7～10所示。

圖7 目標在天線陣列上的方位角變化圖

圖8 目標在天線陣列上的高低角變化圖

圖9 轉臺俯仰角變化圖

圖10 轉臺偏航角變化圖

5 結語

本文針對陣列式射頻半實物仿真試驗過程中,由于設備空間的局限性,使得某些發射條件無法得到滿足的問題,通過分析各個坐標系之間的關系,設計了轉臺的驅動方法和陣列式天線角度的設置,從而解決目標角度模擬受限等實際問題,擴大了陣列式射頻仿真系統的模擬能力,拓展了半實物仿真試驗能力。

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Target Simulation Enrichment Method of Simulation System in Antenna Array Pattern

LIU Zhiyong1,2CHU Jianchuan1,2XU Ke1,2

(1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons, Luoyang 471099) (2. China Airborne Missile Academy, Luoyang 471099)

The radio frequency simulation system (RFSS) is an important method to validate the performance of missile, Target simulation is confined to the limit of field viewing angles in process of HIL expermentation. Aimming at solving the problem, the paper introduces the setting of the flight simulation and the anternna array pattern to enrich the target simulation of angles. The simulation results indicate that the method is right.

RFSS, simulation of target angles, setting of the flight simulation

2016年9月14日,

2016年10月21日

劉志永,男,碩士,工程師,研究方向:射頻制導與仿真。褚建川,男,碩士,高級工程師,研究方向:射頻制導總體設計。許軻,男,高級工程師,研究方向:射頻制導仿真設計。

TP311

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.012