射頻制導仿真系統(tǒng)關鍵技術

袁丹，原樹興，黃桂明，趙明，何雪偉

（1.洪都航空工業(yè)集團，南昌330024；2.北方自動控制技術研究所，太原030006）

射頻制導仿真系統(tǒng)關鍵技術

袁丹1，原樹興2，黃桂明1，趙明1，何雪偉1

（1.洪都航空工業(yè)集團，南昌330024；2.北方自動控制技術研究所，太原030006）

主要針對射頻制導系統(tǒng)半實物仿真試驗所涉及的關鍵技術進行研究，在滿足試驗精度條件下，完成了微波暗室仿真試驗距離、微波暗室靜區(qū)、系統(tǒng)輻射天線單元間距、系統(tǒng)輻射信號角位置精度，以及系統(tǒng)有效輻射功率等技術的關鍵參數(shù)設計，并分別給出了在工程應用中的實現(xiàn)方法，為飛行器研制所需的射頻制導仿真試驗條件建設提供了依據(jù)。

射頻制導，半實物仿真，雷達導引頭

0 引言

射頻制導仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)飛行器射頻制導控制系統(tǒng)的半實物仿真試驗，實現(xiàn)飛行器導引頭及相關分機的仿真性能測試，從而達到在試驗室（暗室）條件下優(yōu)化選擇和檢驗飛行器制導控制系統(tǒng)參數(shù)，直至檢驗飛行器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的目的。

射頻制導仿真系統(tǒng)隨著飛行器制導體制的變化而不斷地發(fā)展，目前國內(nèi)外制導體制的變化主要體現(xiàn)在復合制導以及信號參數(shù)范圍的擴大上。頻段方面，微波在向低頻發(fā)展的同時，精確制導朝毫米波方向發(fā)展，向低頻發(fā)展，利用電子戰(zhàn)偵察系統(tǒng)進行側向來提供制導信息，精確制導采用毫米波測角，精度高，目前大量使用8mm波段，正向3mm波段邁進。目標方面，由點目標向擴展目標和面目標（SAR和ISAR等）擴展，由單一形式制導（如射頻主動、射頻被動或紅外等）向射頻主動/被動、射頻紅外等兩種或三種復合制導方向發(fā)展。系統(tǒng)組成趨于集成設計，采用軟件無線電技術靈活編程，主/被動和SAR實時模擬，目標、干擾和雜波模擬，超寬帶模擬等，陣列饋電系統(tǒng)采用寬帶信號角位置模擬技術，主/被動功率管理，高精度角位置控制技術，大動態(tài)范圍控制技術和角位置修正技術等。

根據(jù)射頻制導仿真系統(tǒng)的使用背景、用途、功能和應用，結合飛行器的戰(zhàn)技指標要求，進行系統(tǒng)的總體設計。本文針對系統(tǒng)總體設計過程中涉及到的一些技術難點進行研究和論述，并結合工程應用，給出了較好的實現(xiàn)措施，為飛行器研制所需的射頻制導仿真試驗條件建設提供了依據(jù)。

1 射頻制導半實物仿真系統(tǒng)組成

射頻制導系統(tǒng)在研制過程中自始至終都離不開仿真技術，特別是半實物仿真技術。半實物仿真技術能對控制規(guī)律進行動態(tài)、閉環(huán)試驗驗證，能檢驗、驗證控制系統(tǒng)實物與模型之間的差異，從而根據(jù)試驗情況去修改、完善控制規(guī)律的設計［1］。

為實現(xiàn)飛行器射頻制導控制系統(tǒng)半實物仿真的需求，射頻制導仿真系統(tǒng)的基本構成包括三大部分：參試飛行器相關實物、仿真試驗環(huán)境設備和仿真計算機系統(tǒng)。為了更好地完成系統(tǒng)半實物仿真試驗，將射頻制導仿真系統(tǒng)分為兩個既獨立又可有機融合工作的仿真試驗系統(tǒng)，分別是射頻仿真系統(tǒng)和飛控仿真系統(tǒng)，射頻制導半實物仿真系統(tǒng)組成結構圖如圖1所示。

圖1 射頻制導半實物仿真系統(tǒng)組成結構圖

射頻仿真系統(tǒng)是基于微波暗室環(huán)境下的輻射式仿真系統(tǒng)，主要包括：①微波暗室（屏蔽和吸波）；②射頻仿真信號生成系統(tǒng)（含校準系統(tǒng)及支撐天線的陣列結構）；③三軸導引頭仿真轉臺；④射頻仿真計算機系統(tǒng)（含網(wǎng)絡）；⑤仿真控制、軟件模型及評估軟件等。

飛控仿真系統(tǒng)主要包括：①飛行仿真主控計算機；②彈道仿真工作站；③三軸飛行仿真轉臺；④負載力矩模擬器；⑤網(wǎng)絡（實時光纖反射內(nèi)存網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)）；⑥主控臺及顯控等。

2 射頻制導半實物仿真系統(tǒng)關鍵技術

為模擬飛行器在實際作戰(zhàn)中的目標和電磁環(huán)境（包括電子干擾等），需要射頻制導仿真系統(tǒng)產(chǎn)生與飛行器作戰(zhàn)方式相適應的目標和電磁環(huán)境信號。因此，射頻制導仿真系統(tǒng)主要技術指標必須與飛行器的技術指標以及作戰(zhàn)環(huán)境特性相適應，才能完成飛行器射頻制導系統(tǒng)的半實物仿真試驗［2］。

2.1 微波暗室仿真試驗距離

射頻仿真微波暗室的尺寸主要依據(jù)被試導引頭的體制、工作頻率、天線口面尺寸、模擬目標的視場角以及模擬目標的位置精度等要求來最終確定。

所謂微波暗室的有效長度是指被試導引頭天線的回轉中心至陣列及饋電系統(tǒng)輻射天線陣面的直線距離。由于被試導引頭天線對目標探測的基本條件是目標處于導引頭天線的遠場區(qū)域，即天線所接收到的目標信號具有平面電磁波的性質，因此，微波暗室的有效長度，即接收天線與發(fā)射天線之間的直線距離，也即是仿真試驗的距離，其基本條件是必須滿足天線測量的遠場條件。

收發(fā)天線間的位置關系如圖2所示。

圖2 收發(fā)天線間的位置關系

由發(fā)射天線等效的相位中心輻射的電磁波經(jīng)過距離R到達接收天線口面，以接收天線口面中心為參考，口面邊緣的相位差為：

式中，Δφmax為天線口面邊緣的相位差，λ為試驗波長，R為天線測試距離，D為被試設備天線口徑，d為輻射源天線口徑。天線口面邊緣的相位差一般取Δφmax=π/8來計算天線遠場的最小距離，由式（1）得到：

在過去相當長的時間內(nèi)，用式（2）來確定收發(fā)天線間的最小測試距離。但由于在三元組合成時，等效輻射點可被看成是一個點源信號，因此，在射頻制導仿真系統(tǒng)中，等效輻射源的口徑尺寸可忽略不計，故式（2）簡化為：

以往的工程經(jīng)驗進一步證實，在估算暗室有效長度時，忽略輻射源天線尺寸更為合理。

2.2 微波暗室靜區(qū)

建造微波暗室，其根本目的就是要設法抑制電磁波的反射，以便在被試飛行器天線的周圍建立起一個反射電平極低的“靜區(qū)”［3］。衡量靜區(qū)性能優(yōu)劣的最主要指標是反射率，在進行微波暗室設計時，必然要進行靜區(qū)反射率的估算。然而，計算靜區(qū)的反射率就需要計算電磁波入射到吸波材料上之后的散射場，嚴格地說，計算電磁波的散射場相當復雜，長期以來，在微波暗室的工程設計中，普遍認可的做法是采用一種既方便又有效的近似計算方法——基于幾何光學理論的射線追蹤法［4］。

微波暗室中的電磁波基本上都屬于高頻場，而高頻場的傳播和散射具有“局部”特性，因此，可以采用幾何光學的分析方法來進行定量分析和計算。幾何光學的基礎是“費馬原理”［5］，“費馬原理”認為，光線將沿著光程為極值（極大值、極小值或恒定值）的穩(wěn)態(tài)路徑而傳播，根據(jù)“費馬原理”可以確定光線的傳播路徑或軌跡，并且還可以推導出以下一些重要結論：

（1）光線在均勻介質中將沿直線進行傳播；

（2）光線在兩種均勻、透明介質的分界面上將遵從反射和折射定律；

（3）光學傳播的強度定律：其振幅與傳播距離的平方成反比；

（4）光學傳播的相位函數(shù)：其相位隨傳播距離而呈線性規(guī)律變化。

應用幾何光學射線追蹤法來解算微波暗室的靜區(qū)問題，還必須假定粘貼有吸波材料的暗室內(nèi)壁對于入射的電磁波來說呈現(xiàn)“鏡面”反射特性，即電磁波入射到吸波材料上之后，一部分能量被吸波材料吸收，另一部分能量沿著幾何光學的鏡面反射方向進行傳播。假定，入射場為Ei，反射場為Er，則吸波材料的反射系數(shù)為：

依據(jù)上述公式和廠家提供的吸波材料指標，在滿足系統(tǒng)技術指標要求的前提下，合理選擇吸波材料，可以保證總體設計的靜區(qū)指標要求。

2.3 系統(tǒng)輻射天線單元間距

系統(tǒng)輻射天線的間距選擇是陣列布陣方案設計的基礎，單元間距太大，不利于保證輻射信號的角位置精度，甚至會產(chǎn)生信號輻射角位置的多值性；單元間距太小，則陣列單元數(shù)驟增，除帶來系統(tǒng)復雜性和投資增加外，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，同時調(diào)試與維護的工作量會明顯增加，不利于射頻制導仿真系統(tǒng)的綜合使用。

通常在射頻制導仿真系統(tǒng)的設計中輻射天線單元間距必須滿足以下公式的要求，即：

式中，L為輻射天線單元的間距（rad），D為最大天線口面直徑（mm），λ為最小信號波長（mm），K為系數(shù)，K=1時是極限的單元間距，工程設計上的經(jīng)驗值一般取K=0.8。

單元間距所帶來的最大影響是三元組天線合成時所帶來的平面波誤差，具體分析如下：

不考慮陣面弧度對信號極化的影響，3個輻射天線極化方向均為z^，由于各輻射天線單元均視為點源，假設三元組各天線輻射單元的饋電信號幅度為Ei，相位為βi（i=1，2，3），利用場的疊加原理，可求得被試導引頭天線口面處的場強為：

所以：

由余弦定理得到：

在確定了試驗距離的前提下，選擇一組天線單元間距，根據(jù)上述公式，并選擇相應的天線口徑及試驗頻率，計算三元組天線合成場的幅相分布，并與點源輻射天線到達被試導引頭天線的輻射信號特性進行比較，可知所取天線單元間距是否滿足系統(tǒng)設計要求。

2.4 系統(tǒng)輻射信號角位置精度

針對射頻制導仿真系統(tǒng)輻射信號角位置精度指標，進行系統(tǒng)分析，影響該指標的主要因素和帶來的誤差可以概括如下：

（1）原理誤差：三元點輻射形成一個輻射中心，是對于小角度近似的情況，單元間距較大時便會引入誤差。

（2）設備誤差：包括陣列結構、陣列天線指向、轉臺精度、設備長期穩(wěn)定性等帶來的誤差，都可以通過詳細設計和安裝工藝等來保證，并通過定期標校來調(diào)整，對位置精度影響很小，可以忽略。

（3）暗室靜區(qū)性能：即由暗室靜區(qū)指標帶來的誤差。在微波暗室中反射波與直射波的夾角較大時誤差增加，在陣列邊緣處誤差增加，此外，轉臺安裝后轉臺（包括框架和轉臺底座）及轉臺基礎等對靜區(qū)特性都會帶來很大影響，尤其是低頻時，其影響難以估算，系統(tǒng)角位置精度會明顯下降。

（4）近場效應的誤差：可以通過軟件修正，正確和有效的修正后其誤差可以忽略，可和原理誤差統(tǒng)一估算。

（5）測量裝置（校準系統(tǒng)）帶來的誤差：一般來說測量系統(tǒng)帶來的誤差會比被測設備低一個數(shù)量級，校準系統(tǒng)的誤差主要由測試天線的定位尺度（與測試頻率相關）和定位精度，以及矢量網(wǎng)絡分析儀的測相精度決定，并且隨頻率變低而變差，低頻時誤差會相應增大。

（6）幅相疊代算法誤差：由于數(shù)據(jù)更新率的限制，計算機在幅相疊代時往往只能進行二次疊代。首先確保滿足系統(tǒng)對幅度的精確性要求，由此必然帶來相位誤差，若保證相位誤差＜10°，則在工程上一般可滿足系統(tǒng)精度對幅相疊代的要求，并且有源幅相組件是能夠實現(xiàn)這種算法數(shù)據(jù)的，所以，實際在工程上其疊代誤差可以忽略。

（7）幅相控制帶來的誤差：它包括程控衰減器、程控移相器等控制器件，它們的一致性（穩(wěn)定性和重復性）及各自的精度誤差是在射頻制導仿真系統(tǒng)所有誤差來源中最需要控制，并且也有可能控制好的部分，這部分器件控制的性能優(yōu)劣會直接影響到輻射信號角位置精度的優(yōu)劣。

（8）射頻信號源系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度也是引起輻射信號角位置精度的一個影響因素，穩(wěn)定度高的射頻信號源，其對系統(tǒng)角位置精度的影響可以忽略。

2.5 系統(tǒng)有效輻射功率

系統(tǒng)陣列天線輻射的射頻信號經(jīng)過一定距離的空間衰減后到達被試設備處的信號功率，即最大有效輻射功率，在總體設計上應高于被試設備探測靈敏度，同時，微波暗室中所有設施反射的信號到達被試設備處應低于被試設備的探測靈敏度，保證與直達波信號的信噪比達到30 dB以上，只有這樣才能降低無用信號對被試導引頭測角精度的影響，使仿真試驗達到模擬真實外場試驗的目的。事實上，系統(tǒng)有效輻射功率指標是一個范圍，指標在低頻時較小，在高頻時較大。

實際在進行射頻制導仿真試驗時，根據(jù)被試設備的接收靈敏度以及不同工作頻率，可以選擇適當?shù)南到y(tǒng)有效輻射功率數(shù)值，以便優(yōu)化試驗，獲得最佳的試驗效果，特別是降低無用干擾的影響，得到最好的角位置測試精度和準確度，這是射頻制導仿真試驗時一個非常重要的試驗手段和訣竅。

3 結論

在射頻制導仿真系統(tǒng)實現(xiàn)仿真試驗能力后，所進行的射頻制導半實物仿真試驗可以貫穿武器系統(tǒng)研制的全壽命周期，包括從武器系統(tǒng)型號研制的方案論證開始，到系統(tǒng)的設計、參數(shù)選擇、技術攻關、分系統(tǒng)性能評定以及項目設計改進等全過程。

隨著射頻制導仿真技術的不斷發(fā)展，射頻制導仿真系統(tǒng)需要進行不斷地完善和擴展，在總體設計時就會遇到一些新的技術難點和問題，比如在毫米波時系統(tǒng)如何實現(xiàn)更高的角位置精度，適應面目標的信號帶寬擴展，信號功率達到更大帶寬，系統(tǒng)仿真周期提高到更短等等，因此，需要對相關的關鍵技術指標做進一步地研究、探索和實踐。

［1］肖衛(wèi)國，爾聯(lián)潔.雷達尋的制導半實物仿真系統(tǒng)的關鍵技術研究［J］.計算機仿真，2007，38（3）：51-54.

［2］倪漢昌.飛航導彈射頻制導仿真技術［J］.制導與引信，1996，21（1）：25-27.

［3］方輝煌，皮德寶，陳訓達，等.仿真譯文集［R］.北京：北京仿真中心，1984.

［4］薛偉成.三維單純行射線追蹤法通用算法的研究與實現(xiàn)［R］.南京郵電大學：電磁場與微波技術，2010.

［5］梁昌洪，崔斌，宗衛(wèi)華.費馬原理確定柱面和錐面反射點的解析表示式［J］.電波科學學報，2004，25（3）：13-16.

Key Techniques for RF Guided Simulation System

YUAN Dan1，YUAN Shu-xing2，HUANG Gui-ming1，ZHAO Ming1，HE Xue-wei1
（1.Hongdu Aviation Industry Group，Nanchang 330024，China；
2.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China）

This paper mainly presents the key technique of semi-physical radio frequency simulation system.The key techniques are analyzed on condition that RFSS has a high accuracy.The scale of anechoic chamber，the quiet zone index，the element spacing of antenna array，the accuracy of the coordinates and the radio frequency power sent to the air by antennas are designed.In this paper，the realize ways are provied in practice，giving basis for the construction of RFSS.

radio frequency guidance，semi-physical simulation，radar seeker

E917

A

1002-0640（2015）01-0108-04

2013-11-25

：2014-01-30

袁丹（1978-），男，江西南昌人，高級工程師。研究方向：飛行器仿真。