(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

隨著軍事科技的日益發(fā)展,導(dǎo)彈已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上有效的攻防利器,對(duì)其作戰(zhàn)性能的要求也越來(lái)越高。導(dǎo)引頭作為導(dǎo)彈系統(tǒng)中最重要的組成部分,性能優(yōu)劣直接決定導(dǎo)彈的整體水平。相控陣導(dǎo)引頭具有作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間短,能同時(shí)跟蹤多批次、多目標(biāo),以及工作效率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

相比地面、機(jī)載和星載環(huán)境,導(dǎo)彈飛行過(guò)程中受彈體機(jī)動(dòng)及外界氣流擾動(dòng)等影響更為嚴(yán)重,俯仰、翻滾、偏航方向存在劇烈的姿態(tài)擾動(dòng),并且需要導(dǎo)引頭提供高精度的定位信息。相控陣導(dǎo)引頭固聯(lián)在彈體上,彈體姿態(tài)會(huì)影響波束慣性空間指向,這樣導(dǎo)引頭測(cè)量信號(hào)就會(huì)耦合彈體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)信息,從而影響制導(dǎo)性能[1]。

根據(jù)測(cè)量裝置安裝情況的不同,導(dǎo)引頭一般可以分為隨動(dòng)式和捷聯(lián)式兩類(lèi),其中捷聯(lián)式導(dǎo)引頭又可分為半捷聯(lián)和全捷聯(lián)形式。半捷聯(lián)導(dǎo)引頭采用導(dǎo)彈自身慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的姿態(tài)信息,但仍然保留慣性穩(wěn)定框架。相控陣導(dǎo)引頭則屬于全捷聯(lián)形式,徹底取消了慣性穩(wěn)定框架及伺服系統(tǒng),必須采用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)波束在慣性空間的穩(wěn)定。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于隨動(dòng)式和半捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的去耦研究已經(jīng)比較成熟[2],而對(duì)于全捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的去耦研究雖然取得了一定的成果,但技術(shù)還不成熟,成為限制相控陣導(dǎo)引頭彈載應(yīng)用的難點(diǎn)[3-6]。涉及軍事原因,關(guān)于相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭波束穩(wěn)定方法國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)[7]報(bào)道很少。

本文首先對(duì)相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦特性進(jìn)行了研究,分析了導(dǎo)致不完全解耦的因素,繼而給出了一種實(shí)用的相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦方法,通過(guò)該方法對(duì)影響解耦性能的因素進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真分析,得出滿足工程要求時(shí)的約束條件。

1 相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦特性

彈體隔離性能采用去耦系數(shù)(隔離度)來(lái)衡量,去耦系數(shù)越小表示波束穩(wěn)定性能越好。一般來(lái)說(shuō),彈載環(huán)境工程需求是當(dāng)彈體作幅值為2°、頻率為5 Hz正弦運(yùn)動(dòng)時(shí),去耦系數(shù)小于5%@5 Hz±2°。去耦系數(shù)計(jì)算公式如下:

式中,Δqt為慣性空間中波束指向角度變化的幅值,Δ?為彈體擾動(dòng)角度幅值。

相對(duì)于機(jī)掃模式,相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦具有如下特性:

1)瞬時(shí)性:相控陣導(dǎo)引頭通過(guò)移相器移相、波束空間合成瞬間改變波束指向,不像機(jī)掃模式波束指向改變受電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性影響,捷聯(lián)去耦時(shí)具有響應(yīng)慣導(dǎo)姿態(tài)變化靈敏、修正波束指向瞬時(shí)(μs級(jí))的優(yōu)點(diǎn)。

2)準(zhǔn)確性:相控陣導(dǎo)引頭波束指向空間合成,指向精度高;而機(jī)掃模式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用了軸承、齒輪等零部件,軸承側(cè)隙、齒輪回程誤差、齒輪傳動(dòng)精度、軸系同軸度等會(huì)引入隨機(jī)誤差,降低了修正波束指向的精度。

3)離散性:雖然相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦具有瞬時(shí)和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),但與機(jī)掃模式去耦的連續(xù)性不同,相控陣導(dǎo)引頭波束指向改變是離散化的,改變頻率受波控周期約束。在修正波束指向時(shí)刻解耦迅速、準(zhǔn)確,但在整個(gè)波控周期的其他時(shí)間內(nèi),導(dǎo)引頭不響應(yīng)彈體擾動(dòng)進(jìn)行解耦操作,從而引入了離散化誤差。為了提高相控陣導(dǎo)引頭的隔離度,必須減小波控周期,提高系統(tǒng)響應(yīng)彈體擾動(dòng)的解耦頻率。然而波控頻率的增加也意味著系統(tǒng)工作負(fù)荷的增加,還要考慮工程實(shí)現(xiàn)能力。在彈載環(huán)境下,為克服彈體擾動(dòng)而對(duì)波控周期提出的嚴(yán)格要求,是有源相控陣天線在地面、星載、機(jī)載等其他應(yīng)用環(huán)境中的典型區(qū)別之一。

影響相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦性能的主要因素如圖1所示。

圖1 相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦性能的影響因素

2 相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦方法

2.1 實(shí)用的相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦方法

數(shù)字平臺(tái)捷聯(lián)去耦方法的原理是由導(dǎo)引頭通過(guò)濾波處理給出慣性空間目標(biāo)視線預(yù)測(cè)角度,并且利用彈載捷聯(lián)慣導(dǎo)提供的彈體姿態(tài)角信息,通過(guò)坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換建立導(dǎo)引頭系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定解算矩陣,并對(duì)其實(shí)施開(kāi)環(huán)補(bǔ)償,得到在給定的彈體擾動(dòng)情況下使導(dǎo)彈目標(biāo)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的補(bǔ)償控制指令,即波束掃描指向偏差的實(shí)時(shí)修正值,然后把修正后的波束指向反饋給波控計(jì)算機(jī),控制導(dǎo)引頭波束掃描的方向,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)波束指向的實(shí)時(shí)修正。

相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦方法如圖2所示。

圖2 相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦方法實(shí)現(xiàn)框圖

彈體姿態(tài)擾動(dòng)信息(偏航角ψS、俯仰角φS和滾轉(zhuǎn)角γS)由彈上捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)量,并發(fā)送給導(dǎo)引頭,導(dǎo)引頭接口控制系統(tǒng)將慣導(dǎo)姿態(tài)信息加上時(shí)標(biāo)后,轉(zhuǎn)發(fā)給波控計(jì)算機(jī)。波控計(jì)算機(jī)收到慣導(dǎo)姿態(tài)信息后,為消除慣導(dǎo)測(cè)量數(shù)據(jù)更新周期TINS對(duì)系統(tǒng)捷聯(lián)去耦性能的影響,在波控計(jì)算機(jī)中對(duì)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算,并按照時(shí)標(biāo)對(duì)傳輸延遲進(jìn)行補(bǔ)償,插值處理方法如下:

在波控計(jì)算機(jī)中預(yù)設(shè)兩個(gè)地址——子地址1和子地址0,分別存儲(chǔ)最近兩次從導(dǎo)引頭任務(wù)管理系統(tǒng)收到的不同慣導(dǎo)姿態(tài)角數(shù)據(jù)θ1、θ0,并記錄子地址1數(shù)據(jù)更新的時(shí)刻t1。當(dāng)波控計(jì)算機(jī)從任務(wù)管理系統(tǒng)收到姿態(tài)角數(shù)據(jù)θt時(shí),首先與子地址1中數(shù)值θ1比較,如果θt≠θ1,則認(rèn)為θt為當(dāng)前時(shí)刻慣導(dǎo)姿態(tài)角數(shù)據(jù),并將子地址0數(shù)值更新為θ1,子地址1數(shù)值更新為θt;反之如果θt=θ1,則認(rèn)為當(dāng)前時(shí)刻慣導(dǎo)數(shù)據(jù)尚未更新,則采用式(2)進(jìn)行線性插值補(bǔ)償:

式中,t為當(dāng)前時(shí)刻,T0為預(yù)知的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新周期。

捷聯(lián)去耦機(jī)制中,預(yù)測(cè)的目標(biāo)視線角(目標(biāo)方位角θa和目標(biāo)俯仰角θh)由信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)濾波處理給出,目標(biāo)視線角由接口控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給波控計(jì)算機(jī)。波控計(jì)算機(jī)利用插值補(bǔ)償后的慣導(dǎo)姿態(tài)信息,通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)施開(kāi)環(huán)補(bǔ)償,快速解算當(dāng)前彈體擾動(dòng)情況下使慣性空間波束指向?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的天線波束修正角度,得到修正后的天線波束掃描方位角θy和俯仰角θz,然后在波控單元中經(jīng)過(guò)查找波位——波控碼表獲得波控碼,以及所有波控碼的同步修正值,最后通過(guò)移相器實(shí)現(xiàn)天線波束的實(shí)時(shí)修正,去除彈體姿態(tài)擾動(dòng)對(duì)目標(biāo)視線指向的影響。

2.2 相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦性能分析方法

仿真分析方法結(jié)合跟蹤回路實(shí)際工作情況及捷聯(lián)去耦方法給出,具體如下:

1)首先設(shè)定一組頻率5 Hz、幅值2°的正弦數(shù)據(jù)模擬真實(shí)的彈體擾動(dòng)姿態(tài)值,對(duì)該姿態(tài)值按慣導(dǎo)更新周期離散化并施加傳輸延遲,模擬導(dǎo)引頭實(shí)際收到的慣導(dǎo)測(cè)量數(shù)據(jù);

2)設(shè)定當(dāng)前期望目標(biāo)方位角θa和目標(biāo)俯仰角θh;

3)模擬波控計(jì)算機(jī)對(duì)慣導(dǎo)測(cè)量值進(jìn)行插值處理;

4)按照波控布相周期,采用當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)視線角度及當(dāng)前時(shí)刻插值后的慣導(dǎo)測(cè)量值進(jìn)行去耦補(bǔ)償,坐標(biāo)變換后得到修正后的波束方位角θy和波束俯仰角θz(實(shí)際工作中據(jù)此通過(guò)查波位——波控碼進(jìn)行布相);

5)根據(jù)修正后的波束角度及當(dāng)前時(shí)刻真實(shí)的彈體擾動(dòng)姿態(tài)值解算得到實(shí)際的慣性空間目標(biāo)視線角度(目標(biāo)方位角θ′a和目標(biāo)俯仰角θ′h),與期望目標(biāo)視線角度進(jìn)行比較,得到由于不完全解耦造成的波束慣性空間誤差角Δqt,進(jìn)而根據(jù)式(1)計(jì)算去耦系數(shù)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦所需要的彈體姿態(tài)信息由彈上慣導(dǎo)測(cè)量數(shù)據(jù)給出,自身無(wú)法消除該測(cè)量誤差,因此在性能分析時(shí)暫不考慮。重點(diǎn)考查慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新周期TINS、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸延遲TD、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)插值周期TC、波控布相周期TB帶來(lái)的去耦系數(shù)影響。天線方向圖引入的誤差很小,可以忽略。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)仿真參數(shù)有如下假設(shè):

1)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新周期TINS:2 ms,5 ms;

2)控制系統(tǒng)中慣導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸延遲TD≤3 ms;

3)波控布相周期TB:1～20 ms。

如前所述,相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦存在離散化誤差。故僅在波束控制時(shí)刻統(tǒng)計(jì)去耦性能并不準(zhǔn)確,會(huì)造成統(tǒng)計(jì)值比實(shí)際情況偏好的結(jié)果。在去耦系數(shù)計(jì)算過(guò)程中,采用增加統(tǒng)計(jì)頻率方式可以對(duì)離散化誤差較為精確統(tǒng)計(jì),在每個(gè)波控周期內(nèi)求取多次波束慣性空間波束指向偏差的均方根,采用該值進(jìn)行去耦系數(shù)計(jì)算。

3.1 慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新周期影響分析

為消除慣導(dǎo)測(cè)量數(shù)據(jù)更新周期TINS對(duì)系統(tǒng)的捷聯(lián)去耦性能存在影響,在捷聯(lián)去耦過(guò)程中對(duì)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了插值計(jì)算(插值周期TC=0.5 ms)。從圖3可以看出,捷聯(lián)去耦性能隨著TINS增加而迅速惡化,而對(duì)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算后,受TINS影響顯著變小。當(dāng)TINS＜5 ms時(shí),系統(tǒng)的去耦性能趨于穩(wěn)定。

圖3 去耦系數(shù)隨T INS的變化(T D=1 ms,T B=2 ms,T C=0.5 ms)

TC選擇過(guò)大,系統(tǒng)捷聯(lián)去耦性能改善可能不明顯;而TC選擇過(guò)小,則會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)算量,給工程實(shí)現(xiàn)帶來(lái)難度。下面通過(guò)仿真分析對(duì)插值周期TC的選取給出建議。圖4給出了TINS為5 ms時(shí),去耦系數(shù)隨TC變化的曲線。可見(jiàn)當(dāng)TC＜0.5 ms時(shí),系統(tǒng)捷聯(lián)去耦性能趨于穩(wěn)定。

圖4 去耦系數(shù)隨T C的變化(T INS=5 ms,T D=1 ms,T B =2 ms)

3.2 慣導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸延遲影響分析

對(duì)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸延遲TD對(duì)捷聯(lián)去耦性能影響情況進(jìn)行分析,假定傳輸延遲從0～3 ms變化,仿真結(jié)果如圖5所示?？梢?jiàn)系統(tǒng)捷聯(lián)去耦性能隨著TD的增大下降明顯。當(dāng)TD＞1 ms時(shí),已經(jīng)不能滿足5%去耦系數(shù)要求。

3.3 波控布相周期影響分析

波控布相周期影響分析仿真結(jié)果如圖6(a)所示。由于離散性,捷聯(lián)去耦性能隨著TB的增大迅速下降,僅在TB≤2 ms時(shí)方位和俯仰方向去耦系數(shù)全部滿足5%的要求,TB=2.5 ms時(shí)方位角已經(jīng)臨界。在圖6(b)中,對(duì)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的傳輸延遲進(jìn)行了補(bǔ)償處理,假定慣導(dǎo)傳輸延遲可以全部補(bǔ)償?shù)魰r(shí),對(duì)波控布相周期的要求可以降低到4 ms。

圖5 去耦系數(shù)隨T D的變化(T INS=5 ms,T C=0.5 ms,T B=2 ms)

圖6 去耦系數(shù)隨T B的變化

3.4 滿足工程需求條件

變化不同的參數(shù),當(dāng)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)延遲未進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),計(jì)算結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?控制傳輸延遲≤1 ms、波控周期≤2 ms時(shí),去耦系數(shù)滿足5%的工程要求,其中序號(hào)3解耦前后角度誤差情況如圖7所示。假定延遲影響可以全部消除,計(jì)算結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?如果可以很好地控制慣導(dǎo)傳輸延遲,當(dāng)波控周期≤4 ms時(shí),去耦系數(shù)即滿足5%的要求,其中對(duì)應(yīng)序號(hào)1解耦前后角度誤差情況如圖8所示。

表1 慣導(dǎo)延遲未補(bǔ)償去耦系數(shù)計(jì)算

圖7 目標(biāo)視線角度及誤差(T INS=5 ms,T D=1 ms,T C=0.5 ms,T B=2 ms)

表2 慣導(dǎo)延遲完全補(bǔ)償后去耦系數(shù)計(jì)算

圖8 目標(biāo)視線角度及誤差(T INS=5 ms,T C=0.5 ms,T B=4 ms)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)相控陣導(dǎo)引頭易受彈體擾動(dòng)影響波束指向的問(wèn)題,分析了相控陣導(dǎo)引頭捷聯(lián)去耦的特性,給出了一種實(shí)用的捷聯(lián)去耦方法,并對(duì)影響捷聯(lián)去耦性能的因素進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析,給出了工程化設(shè)計(jì)時(shí)的建議。通過(guò)理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)可知,彈載相控陣導(dǎo)引頭的捷聯(lián)去耦是可實(shí)現(xiàn)的,下一步將通過(guò)研制原理樣機(jī),對(duì)影響分析的正確性進(jìn)行驗(yàn)證,并進(jìn)一步完善捷聯(lián)去耦方案。

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