天線回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(duì)，河南洛陽471003）

在微波暗室內(nèi)進(jìn)行射頻仿真試驗(yàn)時(shí)，必須保證被試裝備天線回轉(zhuǎn)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(xué)評估。分析了對心不準(zhǔn)對裝備測向測試結(jié)果的影響，建立了測向誤差的分析模型，并且結(jié)合實(shí)例詳細(xì)分析了偏心距離和測向誤差的關(guān)系。相關(guān)分析模型和結(jié)論可以作為對心設(shè)備建設(shè)中對對心精度的指標(biāo)論證的依據(jù)，也可以為仿真試驗(yàn)戰(zhàn)情的設(shè)計(jì)提供科學(xué)的借鑒。

射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)；天線陣列；對心設(shè)備；測向誤差；被試裝備

1 引言

在雷達(dá)對抗裝備中，偵察測向的任務(wù)在于測得輻射源的方位，為干擾設(shè)備提供精確的方位引導(dǎo)。偵察設(shè)備的測向精度即測向準(zhǔn)確度，是測量值與被測目標(biāo)真實(shí)方位之間的差值，測向精度是偵察設(shè)備最重要的指標(biāo)之一。半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)為電子戰(zhàn)裝備的研制、性能評估提供密集、復(fù)雜、逼真、動態(tài)的電磁威脅信號環(huán)境，對于電子戰(zhàn)系統(tǒng)的研制開發(fā)、試驗(yàn)鑒定具有十分重要的意義。在雷達(dá)對抗輻射式仿真試驗(yàn)中，被試的雷達(dá)對抗裝備接收球面天線陣列輻射的雷達(dá)和干擾信號，根據(jù)天線陣列三元組工作原理和偵察系統(tǒng)測向的基本原理，必須保證被試裝備天線回轉(zhuǎn)中心和天線陣列的球心重合，否則就會產(chǎn)生測向誤差［1-3］。而保證“兩心”重合的工作是由對心設(shè)備完成的，對心設(shè)備有經(jīng)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(diǎn)交會等。但無論是哪種工程實(shí)現(xiàn)方法，對心設(shè)備及測量方法產(chǎn)生的誤差都無法完全消除，這樣被試裝備天線回轉(zhuǎn)中心與球面天線陣的球心就會不完全重合。那么，偏差達(dá)到什么程度是仿真試驗(yàn)測試可以接受的呢？本文在分析仿真試驗(yàn)對心過程的基礎(chǔ)上，建立了對心不準(zhǔn)引起的被試裝備測向誤差分析模型，重點(diǎn)結(jié)合偏心不偏軸和偏心偏軸兩種情況產(chǎn)生的測向誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析，希望可以為對心設(shè)備和對心方法的論證提供科學(xué)參考，為射頻仿真試驗(yàn)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(chǎn)生被試裝備試驗(yàn)所需的電磁信號環(huán)境，利用多自由度轉(zhuǎn)臺模擬被試裝備運(yùn)載平臺的運(yùn)動姿態(tài)及機(jī)動特性，同時(shí)通過被試裝備的天線及饋電系統(tǒng)接收由輻射單元陣列輻射的各種模擬信號，進(jìn)行裝備的作戰(zhàn)能力檢驗(yàn)的系統(tǒng)，我們稱之為射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)［4］。微波暗室是射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的組成部分之一，其一端是放置在靜區(qū)的三軸飛行轉(zhuǎn)臺或裝備承載平臺，另一端是球形天線陣列［5］。

仿真試驗(yàn)前，必須對被試裝備天線進(jìn)行調(diào)零操作［6-7］。首先是用對心設(shè)備進(jìn)行“對心”，使被試裝備天線的中心與靜區(qū)中心（球面陣球心）重合。由于天線陣的球心是空間的一個(gè)點(diǎn)，并且被試裝備天線的回轉(zhuǎn)中心也不能直觀地標(biāo)識，一種基于經(jīng)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(biāo)系，在被試裝備天線大致放到指定位置后，再利用經(jīng)緯儀或全站儀等對心設(shè)備進(jìn)行精確調(diào)整，對心設(shè)備測量被試裝備回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺，再由平臺或轉(zhuǎn)臺調(diào)整被試裝備天線的回轉(zhuǎn)中心，使之與天線陣的球心重合?！皩π摹蓖瓿珊?，再使陣列“零位”天線輻射信號用被試裝備天線對準(zhǔn)，進(jìn)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(shù)據(jù)處理時(shí)可以消除［8-9］，所以對軸不準(zhǔn)產(chǎn)生的測向誤差這里不作分析，重點(diǎn)對由于對心不準(zhǔn)產(chǎn)生的測向誤差進(jìn)行分析。

建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系，O（0，0，0）點(diǎn)為靜區(qū)中心（球面陣球心），B（x1，y1，z1）點(diǎn)為目標(biāo)源的位置，OB之間的距離為R，A（x0，y0，z0）點(diǎn)為測向天線由于安裝偏離球面陣球心的偏心點(diǎn)，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(biāo)真實(shí)角度值，β目標(biāo)角度測量值。

目標(biāo)源B點(diǎn)的坐標(biāo)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(biāo)源相對于靜區(qū)中心的方位角，φ為目標(biāo)源相對于靜區(qū)中心的俯仰角。

同樣，將A點(diǎn)表示為（d，θ1，φ1），有：

根據(jù)圖1所示球心O、目標(biāo)源B和天線回轉(zhuǎn)中心A等各位置的關(guān)系，可以得到目標(biāo)真實(shí)角度值α為

目標(biāo)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(zhǔn)產(chǎn)生的測向誤差的計(jì)算模型。

3 仿真分析

如果被試裝備天線回轉(zhuǎn)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(zhǔn)產(chǎn)生的測向誤差，這里不作討論，重點(diǎn)分析后兩種由于對心不準(zhǔn)而產(chǎn)生的測向誤差情況。

（1）偏心、不偏軸

當(dāng)偏心點(diǎn)在“零軸”（Y軸，即球心與陣列“零位”天線的連線）上時(shí)，就會出現(xiàn)偏心、不偏軸的情況。偏心點(diǎn)即天線回轉(zhuǎn)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(diǎn)時(shí)的測向誤差進(jìn)行計(jì)算，偏心點(diǎn)在Y軸上的位置示意及測向誤差的結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：對一固定目標(biāo)源，當(dāng)天線回轉(zhuǎn)中心在陣列零軸上且距離球心越遠(yuǎn)時(shí)，由于不同心產(chǎn)生的測向誤差也越大；當(dāng)天線回轉(zhuǎn)中心在陣列零軸上一固定點(diǎn)時(shí)，目標(biāo)源為陣列“零位”天線時(shí)測向誤差最小，目標(biāo)源距離陣列“零位”天線越遠(yuǎn)測向誤差越大。

（2）偏心、偏軸

當(dāng)偏心點(diǎn)不在“零軸”上時(shí)，就會出現(xiàn)偏心、偏軸的情況。

首先，計(jì)算偏心點(diǎn)在X軸上時(shí)的情況，偏心點(diǎn)（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(jié)果如圖3所示。

再計(jì)算偏心點(diǎn)在Z軸上時(shí)的情況，偏心點(diǎn)（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(jié)果如圖4所示。

通過圖3、圖4和圖2結(jié)果的比較可以發(fā)現(xiàn)：偏心、不偏軸引起的測向誤差明顯大于由于偏心、偏軸時(shí)產(chǎn)生的測向誤差；測向誤差的最大值總是發(fā)生在當(dāng)目標(biāo)源為陣列的邊緣處時(shí)。

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

如當(dāng)仿真試驗(yàn)時(shí)，要求由于對心不準(zhǔn)產(chǎn)生的測向誤差不超過0.1 mrad，那么被試裝備天線回轉(zhuǎn)中心與球心的距離就必須保證在8.3 mm以內(nèi)；若要求測向誤差在1 mrad以內(nèi)，那么偏心距離就必須保證不超過83 mm。

4 結(jié)束語

進(jìn)行偵察裝備性能的射頻仿真試驗(yàn)之前，必須利用對心設(shè)備對被試裝備的天線進(jìn)行對心操作。本文分析表明：由于對心不準(zhǔn)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(shí)產(chǎn)生的測向誤差，而且測向誤差的最大值總是發(fā)生在當(dāng)目標(biāo)源為陣列的邊緣處時(shí)。另外，為確保對心因素對偵察測向設(shè)備測向性能測試結(jié)果的影響在限定的精度范圍內(nèi)，被試裝備天線回轉(zhuǎn)中心與陣列球心的偏離就必須控制在一定的距離范圍內(nèi)，這也就是對對心設(shè)備和對心方法提出的相應(yīng)對心精度的指標(biāo)要求。本文建立的分析模型和相應(yīng)的分析結(jié)果，既可以指導(dǎo)對心系統(tǒng)建設(shè)和對心方法研究，同時(shí)還可以為試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)目標(biāo)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(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2007年于國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)樯漕l仿真測試技術(shù)及其應(yīng)用。

Email：zhx961079＠yahoo.com.cn

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