水面靶標雷達輻射源天線實時引導的實現

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

1 雷達輻射源

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

■1.1 雷達輻射源組成

雷達輻射源系統組成包括位于船體上的靶載設備和地面遙控站兩部分，圖1為系統靶載設備和遙控終端組成框圖。靶載設備主要由信號產生分系統、天線陣面分系統、伺服傳動分系統、雷達控制與計算機分系統、電源網絡分系統、熱控分系統和標校設備組成；地面遙控站包括遙控計算機、遙控接口、微波或衛星通信鏈路等。

圖1 雷達輻射源組成

圖2 伺服傳動分系統組成

信號產生分系統產生低功率雷達模擬信號，天線陣面分系統對低功率雷達模擬信號進行功率放大后，由天線輻射到空間。伺服傳動分系統由伺服控制模塊、方位/俯仰驅動器、方位/俯仰電機和三維姿態測量裝置[6]等組成，根據三維姿態測量裝置給出的船體搖擺實時信息，再根據實時接收的遙控地面站發送的目標彈道信息，進行天線橫軸、縱軸的穩定控制，保持發射天線陣面對反艦武器的精確對準。雷達控制與計算機分系統由控制板、遙控組件[7]等組成，遙控組件接收地面遙控站發送的遙控指令，由控制板對靶載設備各分系統的工作狀態進行監控，同時接收目標彈道信息發送給伺服傳動分系統；并向地面遙控站上傳靶載設備工作狀態信息。

■1.2 伺服傳動分系統工作原理

伺服傳動分系統[8]接收刀片計算機發送的引導數據作為位置輸入信號，與位置反饋信號即軸角編碼器數據比較，得到位置誤差信號；位置誤差信號經過放大、校正，輸出速度控制信號經CAN總線送給伺服驅動器，控制電機驅動天線向減小位置誤差信號的方向轉動；并根據三維姿態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送的目標彈道信息，進行天線橫軸、縱軸的穩定控制。如圖2所示，伺服傳動分系統由伺服控制組合、天線座和三維姿態測量裝置組成。伺服控制組合由主控顯示模塊、方位/俯仰驅動器、方位/俯仰電機、軸角編碼模塊、繼電控制模塊、遙控盒等組成；天線座由支承結構、方位/俯仰傳動系統、方位/俯仰數據傳動裝置、安全保護裝置等組成。三維姿態測量裝置由速率陀螺和慣導等組成。

圖3 伺服控制回路結構圖

伺服控制回路如圖3所示。伺服系統方位、俯仰驅動均設計為一個三回路控制系統[9]，內回路設計可以減少回路內元件參數不穩定和負載擾動對伺服系統的影響。控制回路由內向外分別是電流環、速度環、位置環。伺服控制回路結構。由于海浪的影響靶載天線在跟蹤和對準目標時，靶標船體的縱搖和橫搖使得天線座的姿態發生變化，導致天線無法實時對準目標，從而影響跟蹤及指向精度。目前常采用陀螺穩定和前饋穩定兩種策略隔離船搖對天線伺服系統的影響。針對方位俯仰型天線座，陀螺穩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。利用船上慣導設備采集的船搖速度信息進行坐標變換，得出天線伺服系統方位俯仰軸的速度環路補償量，從而實現船搖速度補償。船搖的姿態信息包含橫搖、縱搖、航向，三個軸向的船搖信息會對天線的指向造成擾動，在伺服系統內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，慣導內部陀螺采樣率較高，且船載天線伺服系統的速度環帶寬并不高，因此可以忽略數據傳輸及計算造成的時間延遲。

2 目標實時位置的坐標轉換

■2.1 靶載設備的目標外引導彈道數據獲取

在海上試驗中，雷達輻射源可通過遙測信號[10]或者外測信號得到反艦武器，即目標的彈道信息。雷達輻射源靶載設備可通過遙控接口，接收來自遙控地面站的外引導目標實時彈道數據，通過雷達控制與計算機分系統經過多次坐標轉換[11]解算后，再根據船體的實時坐標位置、航向角、縱搖和橫搖姿態角綜合解算，得到伺服傳動分系統的兩軸轉臺方位跟蹤指令和俯仰跟蹤指令，從而控制驅動伺服轉臺實現發射天線波束的動態對準跟蹤，達到有效隔離船體的姿態變化和彈目相對運動[12]的目的。

■2.2 目標實時位置的坐標轉換

在實際海試中雷達輻射源靶載設備通過遙控信道獲取的目標外部引導信息是目標在大地坐標系下的經緯度，通過多次坐標轉換可求得反艦武器在船體坐標系下的直角坐標值，其具體坐標轉換的技術原理[13]如圖4所示。

設目標在大地坐標系O1－X1Y1Z1下的坐標為 (Lt1,Bt1,Ht1)，將其轉化為地心坐標系O2－X2Y2Z2下的坐標值 (xt2,yt2,zt2)：

圖4 坐標轉換原理

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。

然后將目標在O2－X2Y2Z2下的坐標值 (xt2,yt2,zt2)轉化為原點位于地心的北天東坐標系O3－X3Y3Z3下的坐標值(xt3,yt3,zt3)：

同理，將船體在大地坐標系O1－X1Y1Z1經緯度坐標 (Lz1,Bz1,Hz1)轉化為地心坐標系O2－X2Y2Z2坐標值(xz2,yz2,zz2)：

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

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

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

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

3 靶載設備標校原理

雷達輻射源靶載設備標校的目的是為了獲取發射陣面與伺服轉臺之間、伺服轉臺與船體之間的三維姿態初始偏差，以便作為坐標轉換時的初始化角度, 包括零位標校和靶載設備三軸（光軸、電軸和機械軸）的一致性標校。標校裝置由光學瞄準鏡、標頭、喇叭天線等設備組成。

■3.1 零位標校

靶載設備天線陣面在進行方位和俯仰校準前，首先要對鋼制靶載設備轉臺進行調平操作。考慮到船體在停泊碼頭存在姿態變化難以進行精確標校，對于伺服轉臺和三維姿態測量設備采用岸基標校，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，即不會破壞岸基標校結果，同時也降低了對設備的安裝要求。

方位零位標校。利用光學瞄準鏡對轉臺設備進行方位標校，并通過軟件裝訂伺服轉臺零位位置。標校時，光學瞄準鏡裝在伺服轉臺上，在結構設計上保證其安裝軸線與轉臺零位線平行。利用兩處已知地標，地標A和地標B相距1km左右，伺服轉臺位于在A處，地標B處樹立標校板。在地標A通過光學瞄準鏡將轉臺設備對準B處的標校板，通過解算標校板上的十字標志與光學瞄準鏡的連線與正北的夾角，實現轉臺設備方位零位的標校。

俯仰零位標校。俯仰標校是在轉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 三軸一致性標校

對天線陣面的機械軸、光軸和電軸的一致性標校可在方位標校完成后利用上述兩處地標進行。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天線波束最大增益方向的精確指向控制。在實際標校操作時，標頭與標校喇叭固連，安裝在標校望遠鏡軸線的延長線上，且標校望遠鏡與陣列天線的相對位置需與標校喇叭與標頭的相對位置一致。標校望遠鏡對準標頭，即意味著陣列天線對準了標校喇叭天線，控制轉臺利用喇叭天線接收的信號幅度變化確認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整的方式完成陣列天線的機械軸、光軸和電軸的一致性標校。

4 結束語

通過對雷達輻射源靶載設備的天線陣面進行零位標校和三軸一致性標校消除安裝誤差，在海試中系統的雷達控制與計算機分系統將實時無線接收的目標大地坐標系實時位置，經過多次坐標轉換，獲得反艦武器在船體坐標系下的實時坐標位置，再向伺服傳動分系統下發轉臺的方位和俯仰跟蹤控制指令，從而實現發射天線波束的動態對準跟蹤，有效隔離船體的海上實時姿態變化和彈目相對運動。在反艦武器海上飛行試驗中雷達輻射源利用此技術解決方法，成功完成了靶標保障工作。