一種靶彈微波輻射源輔助控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

，

(中國人民解放軍 91851部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

靶彈是一種空中威脅目標(biāo)的模擬系統(tǒng)，用來模擬威脅目標(biāo)的飛行速度與高度等運(yùn)動(dòng)特性、微波與紅外等反射和輻射目標(biāo)特性以及對(duì)抗特性。對(duì)艦空和空空武器系統(tǒng)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)的可信度，在很大程度上取決于空中靶彈模擬威脅目標(biāo)的逼真程度。靶彈系統(tǒng)的使用將貫穿于各型防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)科研試驗(yàn)和軍事訓(xùn)練的始終，不僅為武器系統(tǒng)試驗(yàn)提供一個(gè)攻擊目標(biāo)，其性能更具有一個(gè)尺度作用，直接關(guān)系到對(duì)武器裝備的正確評(píng)價(jià)與應(yīng)用，最終影響能否將可靠的真正有戰(zhàn)斗力的武器系統(tǒng)裝備部隊(duì)。

某型靶彈微波輻射源系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱微波源)由退役末制導(dǎo)雷達(dá)改裝而成，較靶彈其它系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜，故障率高，為提高微波系統(tǒng)的可靠性和供靶成功率，需要建設(shè)一種靶彈微波源輔助控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在微波源工作模式失效后驅(qū)動(dòng)天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，用于武器系統(tǒng)飛行試驗(yàn)。

1 輔助控制系統(tǒng)工作原理

當(dāng)彈上微波源收到開機(jī)指令時(shí)，搜索電壓送入天線組合，使航向電機(jī)帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)板自起始位置在一定范圍內(nèi)搜索，天線接收的回波能量經(jīng)饋源傳輸后，被變換成“和”、“差”二路信號(hào)，分別經(jīng)各路混頻器變換成中頻后送至接收組合的“和”、“差”通道，進(jìn)行放大檢波，“差”通道中頻信號(hào)又以“和”路中頻信號(hào)的相位為基準(zhǔn)進(jìn)行相位檢波，獲得目標(biāo)偏離電軸的方位誤差信息，幅度正比于目標(biāo)偏離電軸的方位角的大小，極性表征目標(biāo)偏離電軸的方向。方位誤差信號(hào)經(jīng)視頻放大、峰值檢波得到比例于目標(biāo)偏離電軸的方位直流誤差信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)校正、放大與變換，成為航向電動(dòng)機(jī)控制電壓。在微波源捕捉信號(hào)和捕捉指令作用下，航向電動(dòng)機(jī)控制電壓被接通，使航向電機(jī)帶動(dòng)天線扭轉(zhuǎn)板向著目標(biāo)方位視線方向偏轉(zhuǎn)，航向由自動(dòng)搜索轉(zhuǎn)入自動(dòng)跟蹤，當(dāng)天線軸線與目標(biāo)視線重合時(shí)，角誤差信號(hào)為0，天線扭轉(zhuǎn)板停止轉(zhuǎn)動(dòng)，微波源角跟蹤回路形成閉環(huán)，當(dāng)目標(biāo)在航向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，天線電軸始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，角跟蹤回路框圖如圖1。

圖1 微波源角跟蹤回路框圖

當(dāng)靶彈微波源工作正常時(shí)，輔助控制系統(tǒng)不工作；當(dāng)微波源捕捉不穩(wěn)或失捕后，轉(zhuǎn)入輔控系統(tǒng)工作狀態(tài)。微波源輔助控制系統(tǒng)能根據(jù)靶彈理論彈道實(shí)時(shí)計(jì)算靶彈天線軸向與“目標(biāo)”的夾角，形成相應(yīng)的“輔助控制電壓”；天線伺服機(jī)構(gòu)輸出的方位控制電壓也送到“天線隨動(dòng)控制組合”，形成現(xiàn)有的“天線位置電壓”，兩者進(jìn)行比較，形成角度誤差信號(hào)加到“繼電放大器”形成“天線電機(jī)控制電壓”以驅(qū)動(dòng)天線向減小角誤差的方向轉(zhuǎn)動(dòng)直到角誤差為零，天線停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即天線停在設(shè)定的角度位置，從而實(shí)現(xiàn)天線“自動(dòng)跟蹤”目標(biāo)的目的。

對(duì)于靶彈，微波源機(jī)械軸與彈軸有一個(gè)固定夾角，記為α，靶彈與目標(biāo)構(gòu)成的視線角記為β，如圖2所示。

圖2 發(fā)射坐標(biāo)系中靶彈、目標(biāo)艦與導(dǎo)引頭視線角關(guān)系

靶彈微波源只負(fù)責(zé)照射目標(biāo)艦，不控制靶彈飛行，靶彈保持勻速、定向平飛，視線角β隨靶彈、目標(biāo)相對(duì)位置實(shí)時(shí)變化，其幾何關(guān)系如下：

以靶彈發(fā)射點(diǎn)O為原點(diǎn)，以理論射向?yàn)閤軸，水平方向垂直x軸為z軸建立發(fā)射坐標(biāo)系，t時(shí)刻靶彈位置為B(x1,z1)，目標(biāo)艦位置為A(x2,z2)，直線OB與直線BA夾角即為靶彈與目標(biāo)構(gòu)成的視線角β，計(jì)算公式為：

(1)

靶彈位置B(x1,z1)來自靶彈GPS數(shù)據(jù)，目標(biāo)艦位置A(x2,z2)根據(jù)預(yù)定方案推算，B點(diǎn)、A點(diǎn)坐標(biāo)均為大地坐標(biāo)(B緯度,L經(jīng)度,H高度)，實(shí)際使用時(shí)先把大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心直角坐標(biāo)(x,y,z)，轉(zhuǎn)換公式：

(2)

式中，N為橢球卯酉圈曲率半徑，H為點(diǎn)沿法線至橢球的距離,近似為大地高，e為橢球第一偏心率。N、e按式(3)計(jì)算。

(3)

式中，a為常數(shù)，數(shù)值為6 378 137 m，e2為常數(shù)。再將地心直角坐標(biāo)(x,y,z)轉(zhuǎn)換為發(fā)射坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換矩陣為：

式中，αF為靶彈射向，靶彈在發(fā)射坐標(biāo)系坐標(biāo)為：

(4)

由于垂直方向(y向)不參與控制，故坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)刻省略y向坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。通過上述計(jì)算，可求得靶彈與目標(biāo)艦視線角(程序指向角)。通過D/A(數(shù)字/模擬)轉(zhuǎn)換器和切換電路，將程序指向信號(hào)直接饋入到靶彈微波源伺服系統(tǒng)，將微波源機(jī)械軸由原來的方位誤差信號(hào)控制改為程序信號(hào)控制，使機(jī)械軸指向目標(biāo)艦，達(dá)到微波源主波束對(duì)目標(biāo)艦充分照射的目的。

圖3 程序信號(hào)控制微波源軸指向原理

2 微波源輔控系統(tǒng)硬件概述

2.1 輔控系統(tǒng)硬件組成

微波源輔控系統(tǒng)硬件由GPS接收機(jī)、數(shù)傳設(shè)備、綜控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集及接口控制/驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行繼電器、電源模塊和相關(guān)的天線及安裝機(jī)構(gòu)組成。

GPS接收機(jī)采用Novatal公司板卡，主要由射頻組件、中頻組件、解碼電路、信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)輸出電路組成；數(shù)傳設(shè)備由數(shù)傳電臺(tái)和發(fā)射天線組成，數(shù)傳電臺(tái)工作在半雙工狀態(tài)，發(fā)射與接收由綜控計(jì)算機(jī)提供的同步脈沖控制；綜控計(jì)算機(jī)采用集成、自棧結(jié)構(gòu)和PC104標(biāo)準(zhǔn)，型號(hào)為6241B，采用增強(qiáng)型80486的處理器作CPU，在板包含所PC/AT兼容的DMA控制器、中斷控制器及定時(shí)器，ROM-BIOS，喇叭接口等；數(shù)據(jù)采集模塊采用盛博科技ADT652多功能數(shù)據(jù)采集卡，通過自帶PC104總線與PC104 CPU模塊構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；電源模塊主要產(chǎn)生+5V計(jì)算機(jī)電源、+5VGPS電源和+12V數(shù)傳電源等。

2.2 輔控系統(tǒng)工作過程

靶彈飛行過程中，綜控計(jì)算機(jī)發(fā)出微波源開機(jī)指令后，微波源接通高壓，向目標(biāo)方向輻射電磁波，如果微波源系統(tǒng)工作正常，微波源會(huì)截獲目標(biāo)信息，并保持天線電軸對(duì)目標(biāo)的照射，其發(fā)出“戰(zhàn)斗指令”且“控制電壓”在有效范圍內(nèi)(表明不是副瓣捕捉)，這時(shí)微波源輔助控制系統(tǒng)不動(dòng)作，J1繼電器呈釋放狀態(tài)，來自微波源的航向信號(hào)通過J1繼電器常閉點(diǎn)轉(zhuǎn)送到天線伺服系統(tǒng)；綜控計(jì)算機(jī)判斷微波源開機(jī)后連續(xù)5次沒有“戰(zhàn)斗指令”或有“戰(zhàn)斗指令”但“控制電壓”在嚴(yán)重超差(表明是副瓣捕捉)，可判定為微波源系統(tǒng)不正常。

綜控計(jì)算機(jī)發(fā)出輔控指令，繼電器J1吸合，常閉點(diǎn)被切斷，常開點(diǎn)接到運(yùn)算放大器輸出端，計(jì)算機(jī)依據(jù)靶彈當(dāng)前位置和目標(biāo)位置計(jì)算出程序指向角，通過D/A1通道輸出到運(yùn)算放大器輸入端，U1起隔離和匹配作用，這時(shí)，微波源電軸在程序指向電壓作用下指向目標(biāo)；同時(shí)綜控計(jì)算機(jī)發(fā)出輔控標(biāo)志置位指令，繼電器J2吸合，常開點(diǎn)通過運(yùn)算放大器U2輸出置位標(biāo)志到天線伺服機(jī)構(gòu)。微波源方位控制電壓和程序指向電壓切換電路如圖4所示，圖5為匹配隔離電路。

圖4 微波源方位控制電壓和程序指向電壓切換電路

圖5 安控器與微波源伺服電路隔離匹配電路

綜控計(jì)算機(jī)判斷微波源是否正常工作，如果微波源故障(捕捉不穩(wěn)定或其它故障)，綜控計(jì)算機(jī)向微波源可發(fā)出“輔控指令”，切換到程序指向工作方式。利用靶彈當(dāng)前GPS坐標(biāo)與目標(biāo)艦GPS坐標(biāo)構(gòu)成的幾何關(guān)系，解算靶彈射向與視線之間夾角，輸出相應(yīng)控制電壓，微波源主波束指向目標(biāo)。

2.3 輔控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)平臺(tái)工作特點(diǎn)，系統(tǒng)加電后自動(dòng)工作，不需要操作界面，所以選擇了DOS操作系統(tǒng)。選用Borland公司Turbo C++，該平臺(tái)功能齊全，系統(tǒng)穩(wěn)定，調(diào)試手段完備，是DOS時(shí)代的主流開發(fā)工具。

系統(tǒng)加電后，輔控系統(tǒng)處于待機(jī)工作狀態(tài)，在軟件初始化階段讀入程序指向配置文件，實(shí)時(shí)讀取彈上GPS信息，并對(duì)靶彈主要信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，靶彈飛行過程中，適時(shí)發(fā)出微波源開機(jī)指令，之后進(jìn)入微波輔助控制模塊，如果不需要執(zhí)行程序指向，則安控程序執(zhí)行原下傳信息編碼模塊；如果滿足程序指向發(fā)出條件，或接受到被動(dòng)“輔控指令”，則執(zhí)行微波輔助控制模塊，先計(jì)算程序指向角，變換成控制電壓寫入D/A，再發(fā)出“輔控指令”、“輔控標(biāo)志”指令，然后執(zhí)行下傳信息編碼模塊，軟件流程圖見圖6。

圖6 軟件流程圖

微波輔助控制系統(tǒng)利用軟硬資源，針對(duì)靶彈飛行過程中靶彈微波源系統(tǒng)故障或工作不穩(wěn)定情況下，斷開微波源對(duì)伺服系統(tǒng)控制，利用靶彈當(dāng)前GPS坐標(biāo)與目標(biāo)艦GPS坐標(biāo)構(gòu)成的幾何關(guān)系，解算靶彈射向與視線之間的夾角(程序指向角)，輸出相應(yīng)控制電壓，控制微波源主波束指向目標(biāo)艦，模擬靶彈微波源主波束鎖定目標(biāo)艦，提高靶彈為武器系統(tǒng)的供靶成功率。

3 數(shù)據(jù)仿真分析

按程序指向角計(jì)算方法編制程序指向角計(jì)算模塊，首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，然后計(jì)算靶彈與目標(biāo)艦視線角并比對(duì)誤差。

將靶彈GPS數(shù)據(jù)和目標(biāo)艦GPS數(shù)據(jù)代入仿真模型，計(jì)算程序指向角(電壓值)。取仿真步長(zhǎng)為100 ms，在發(fā)射坐標(biāo)系中計(jì)算靶彈發(fā)射后彈道數(shù)據(jù)及程序指向角，程序指向角與靶彈微波源航控電壓比對(duì)見圖7，可見程序指向角與航控電壓有很好的擬合，特別是在最初10 s，二者最大差值為0.44 V，航控電壓斜率為1.3～1.5 V/°，換算成角度大約0.33～0.25°；60 s后由于微波源偏轉(zhuǎn)角度過大，引起航控電壓與偏轉(zhuǎn)角非線性增大，最大差值為2.88 V，換算成角度大約2.2～1.9°，因此固定偏角和伺服可非線性誤差前15 s可用0.3°近似，15 s后可用2°近似；由于開環(huán)控制，伺服控制誤差近似為1°。

圖7 程序指向角與靶彈微波源航控電壓對(duì)比圖

4 誤差分析

微波源輔助控制產(chǎn)生的綜合誤差主要來源于算法誤差σ1，靶彈GPS定位誤差σ2、目標(biāo)艦艦位誤差σ3，靶彈微波源固定偏角誤差σ4、靶彈微波源伺服非線性誤差σ5及靶彈微波源伺服控制誤差σ6，則綜合誤差σ可用公式(5)表示：

(5)

靶彈GPS定位誤差約20 m，針對(duì)10 km攔截距離，引起誤差最大0.1°，計(jì)算方法引起誤差約0.1°，目標(biāo)艦定位誤差約100 m，引起誤差最大0.5°。

微波源開機(jī)10～15 s，程序指向綜合誤差σ為：

(6)

微波源開機(jī)15～30 s，程序指向綜合誤差σ為：

(7)

綜上，程序指向方法產(chǎn)生的綜合誤差大約在1°～2.3°之間。

5 結(jié)論

微波源輔助控制系統(tǒng)能夠在微波源工作模式失效后實(shí)時(shí)解算靶載微波源天線軸線與目標(biāo)之間的夾角，并與天線當(dāng)前角度相比較，形成解算的方位誤差信號(hào)代替來自信號(hào)接收及處理系統(tǒng)方位跟蹤回路的方位誤差信號(hào)，輸出給天線伺服機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)因載體運(yùn)動(dòng)發(fā)生相對(duì)角度變化后，天線又隨之而轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一個(gè)隨動(dòng)的系統(tǒng)，使天線軸向始終瞄準(zhǔn)預(yù)

定目標(biāo)。在實(shí)際測(cè)試運(yùn)行中，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好。對(duì)提高部隊(duì)試驗(yàn)訓(xùn)練水平和戰(zhàn)斗力發(fā)揮了重要作用。

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