周國(guó)峰，韓英宏，陳新民，遲學(xué)謙，宋少倩，趙 曜

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076)

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N按規(guī)定的消息格式和通信協(xié)議，實(shí)時(shí)傳輸處理格式化數(shù)字信息的戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)。彈載數(shù)據(jù)鏈技術(shù)是從20世紀(jì)五六十年代發(fā)展至今的信息化技術(shù)，隨著美國(guó)新軍事變革思想的提出，在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)等現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)中得到了成功使用。數(shù)據(jù)鏈技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中的應(yīng)用日臻完善，同時(shí)也被賦予更多的作戰(zhàn)使命?；跀?shù)據(jù)鏈的飛航導(dǎo)彈在回路可控攻擊是信息化條件下未來(lái)作戰(zhàn)的重要形式[1]。彈載數(shù)據(jù)鏈作為當(dāng)前制導(dǎo)武器發(fā)展的主要方向，是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中精確打擊的重要基礎(chǔ)，除了用于導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)外，數(shù)據(jù)鏈技術(shù)還使導(dǎo)彈具有了諸如目標(biāo)選擇與重瞄、戰(zhàn)場(chǎng)殺傷效果評(píng)估、多彈協(xié)同作戰(zhàn)等多重作戰(zhàn)任務(wù)能力。因此，彈載數(shù)據(jù)鏈技術(shù)在各國(guó)得到了高度重視，并已成為未來(lái)導(dǎo)彈向智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[2-3]。

彈載數(shù)據(jù)鏈主要用以幫助導(dǎo)彈完成通訊、指揮、精確制導(dǎo)三方面的功能，負(fù)責(zé)目標(biāo)信息、環(huán)境信息和協(xié)同信息的傳遞和交換，其組成一般包括發(fā)射平臺(tái)上的數(shù)據(jù)鏈艙、控制面板、彈上數(shù)據(jù)鏈和遙控測(cè)試設(shè)備等。彈載數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)窃趯?dǎo)彈與導(dǎo)彈，導(dǎo)彈與發(fā)射平臺(tái)，導(dǎo)彈與控制中心之間組網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，或通過(guò)其他中繼站在導(dǎo)彈之間建立起信息網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)信息的傳輸交換和處理。彈載數(shù)據(jù)鏈的主要功能有:導(dǎo)彈飛行控制、戰(zhàn)場(chǎng)協(xié)同、數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[4]。

美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)等國(guó)分別在戰(zhàn)斧Block3、戰(zhàn)斧Block4、SLAM、AGM-130、JSOW、SS-N-19和Apache-AI等導(dǎo)彈上均應(yīng)用了數(shù)據(jù)鏈[5]，顯著提高了導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的性能。國(guó)內(nèi)目前也在大力發(fā)展相關(guān)技術(shù)的研究應(yīng)用。

鏈路余量是指通信時(shí)經(jīng)通信信道衰減后的信號(hào)到達(dá)接收方時(shí)信號(hào)強(qiáng)度與噪聲比能夠滿足信息正確檢測(cè)的容限的富裕程度[6]。本文以導(dǎo)彈與地面站接收機(jī)之間的數(shù)據(jù)鏈為研究對(duì)象，提出了根據(jù)飛行彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈路余量計(jì)算分析的方法。

1 研究對(duì)象模型

空基巡航導(dǎo)彈彈道一般分為助推段、爬升段、巡航段和下壓段[7]，本文以該類導(dǎo)彈為研究對(duì)象，彈上安裝有發(fā)射天線和接收天線，固定在地面上的地面站安裝發(fā)射天線和接收天線與導(dǎo)彈進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，兩者位置關(guān)系及信號(hào)傳輸鏈路示意圖如圖1所示。

圖1 研究對(duì)象模型

由于天線的安裝位置固定，在飛行過(guò)程中隨導(dǎo)彈姿態(tài)和位置的變化，彈上天線的方向發(fā)生變化。為確保接收機(jī)能夠正常接收到信號(hào)，須確保上行鏈路和下行鏈路均具備足夠的鏈路余量。

2 坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換關(guān)系

2.1 彈載天線坐標(biāo)系

坐標(biāo)原點(diǎn)OMT位于導(dǎo)彈質(zhì)心，X軸沿導(dǎo)彈縱軸指向彈頭，Z軸為天線法線方向，導(dǎo)彈水平放置時(shí)垂直向下，Y軸與X軸和Z軸滿足右手法則。

2.2 地面天線坐標(biāo)系

坐標(biāo)原點(diǎn)OET位于地面站天線質(zhì)心，X軸從地面站質(zhì)心指向天，Z軸為天線法線方向，由地面站天線指向落點(diǎn)，Y軸與X軸和Z軸滿足右手法則。

2.3 地心坐標(biāo)系

原點(diǎn)在地心OE處，OEXE在赤道平面內(nèi)指向某時(shí)刻的起始子午線(通常取格林威治天文臺(tái)所在子午線)，OEZE軸垂直于赤道平面指向北極，OEYE滿足右手系[8]。

2.4 發(fā)射坐標(biāo)系

坐標(biāo)原點(diǎn)為發(fā)射點(diǎn)o；ox軸：發(fā)射點(diǎn)所在的水平面內(nèi)，指向發(fā)射瞄準(zhǔn)方向；oy軸：垂直發(fā)射點(diǎn)所在的水平面并指向上方；oz軸：通過(guò)右手法則確定。

2.5 彈體坐標(biāo)系

坐標(biāo)原點(diǎn)為導(dǎo)彈質(zhì)心o1；o1x1軸：彈體的對(duì)稱軸，指向頭部；o1y1軸：彈體主對(duì)稱面內(nèi)，指向上方；o1z1：通過(guò)右手定則可以確定。

2.6 地心坐標(biāo)系與發(fā)射坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

設(shè)地球?yàn)橐粰E球，發(fā)射點(diǎn)在地球表面的位置可用經(jīng)度λ0、地理緯度B0來(lái)表示，射擊方向與過(guò)發(fā)射點(diǎn)的子午線北切線之夾角為射擊方位角A0。從地心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到發(fā)射坐標(biāo)系，可用如下轉(zhuǎn)換矩陣：

GE=M2[-(90°+A0)]M1[B0]M3[-(90°-λ0)]=

其中，M1、M2、M3分別代表繞坐標(biāo)系x軸、y軸、z軸旋轉(zhuǎn)某一角度后對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，下同。

a11=-sinA0sinλ0-cosA0sinB0cosλ0

a12=sinA0cosλ0-cosA0sinB0sinλ0

a13=cosA0cosB0

a21=cosB0cosλ0

a22=cosB0sinλ0

a23=sinB0

a31=-cosA0sinλ0+sinA0sinB0cosλ0

a32=cosA0cosλ0+sinA0sinB0sinλ0

a33=-sinA0cosB0

若將地球考慮為圓球，只需將上式中B0、A0分別用地心緯度φ0和地心方位角α0代替即可。

2.7 彈體坐標(biāo)系與發(fā)射坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

這兩個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系用以反映彈體相對(duì)于地面坐標(biāo)系的姿態(tài)。從發(fā)射坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到彈體坐標(biāo)系，可用如下轉(zhuǎn)換矩陣：

其中：

b11=cosφcosψ

b12=sinφcosψ

b13=-sinψ

b21=cosφsinψsinγ-sinφcosγ

b22=sinφsinψsinγ+cosφcosγ

b23=cosψsinγ

b31=cosφsinψcosγ+sinφsinγ

b32=sinφsinψcosγ-cosφsinγ

b33=cosψcosγ

其中，φ為俯仰角，彈體縱軸在射擊平面上的投影與ox軸的夾角，投影在上方為正；ψ為偏航角，彈體軸與射擊平面的夾角，在射擊平面左側(cè)時(shí)為正；γ為滾轉(zhuǎn)角，導(dǎo)彈繞縱體軸旋轉(zhuǎn)的角度，當(dāng)角速度與o1x1軸方向一致時(shí)為正。

2.8 彈體坐標(biāo)系與彈載天線坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

從彈體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到彈載天線坐標(biāo)系，可用如下轉(zhuǎn)換矩陣：

3 計(jì)算方法

3.1 天線增益計(jì)算方法

對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的數(shù)據(jù)鏈信號(hào)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)進(jìn)行大量試驗(yàn)測(cè)試，獲得其天線方向圖(不同方位的天線增益值)。根據(jù)導(dǎo)彈飛行過(guò)程中位置和姿態(tài)變化，插值計(jì)算獲得天線實(shí)時(shí)增益，具體計(jì)算流程框圖如圖2所示。

圖2 天線增益計(jì)算流程框圖

定義鏈路方向向量由接收天線中心指向發(fā)射天線中心。天線增益測(cè)試及計(jì)算涉及的兩個(gè)角度定義如下：

Θ為鏈路方向向量與天線Z軸的空間夾角，范圍[0,180°]；Φ為鏈路方向向量在XOMTY平面內(nèi)的投影，與X軸的夾角，從X軸正向往Y軸正向方向?yàn)檎秶鶾0,360°]。

已知地面站點(diǎn)位為大地緯度φ，大地經(jīng)度λ，高度H，計(jì)算地面站點(diǎn)在地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)如下：

其中，Rae為地球長(zhǎng)半軸，e為第一偏心率平方。

地面站在發(fā)射坐標(biāo)系內(nèi)坐標(biāo)為

鏈路方向向量在發(fā)射坐標(biāo)系內(nèi)坐標(biāo)為

其中，XG、YG、ZG為導(dǎo)彈在發(fā)射坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。

鏈路方向向量在彈體坐標(biāo)系內(nèi)坐標(biāo)為

鏈路方向向量在彈載天線坐標(biāo)系內(nèi)坐標(biāo)為

鏈路天線方向角計(jì)算如下：

Θ=arccos(ZTL/R)

根據(jù)計(jì)算出來(lái)的Θ、Φ，利用測(cè)試得到的天線方向圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行二維插值獲得天線的具體增益值。

3.2 鏈路余量計(jì)算方法

根據(jù)衛(wèi)星通信原理[9]，在數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)輸入端口接收到的信號(hào)功率可用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

Pin(dBm)=EIRP(dBW)+30-L0(dB)-

Lj(dB)-La(dB)-Lz(dB)+GR(dB)-Ll(dB)

其中，

1)EIRP為發(fā)射機(jī)的等效各向同性輻射功率，具體計(jì)算公式為

EIRP(dBW)=功率放大器輸出功率(dBW)-

線纜衰減(dB)+發(fā)射天線增益(dB)

其中，功率放大器輸出功率根據(jù)產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果獲取，線纜衰減根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，發(fā)射天線增益，根據(jù)試驗(yàn)獲得的天線方向圖，結(jié)合彈道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算插值獲取。

2)L0為自由空間傳輸損耗，計(jì)算公式為

L0=32.4+20lgR(km)+20lgf(MHz)(dB)

其中：R為通信距離，f為數(shù)據(jù)鏈路工作頻率。

3)Lj為極化損耗，依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取值；

4)La為大氣損耗，根據(jù)不同頻段進(jìn)行取值，如S頻段取值1 dB；

5)Lz天線指向誤差損耗，取經(jīng)驗(yàn)值；

6)GR為接收天線增益，根據(jù)試驗(yàn)獲得的天線方向圖，結(jié)合彈道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算插值獲取；

7)Ll為接收饋線損耗，取經(jīng)驗(yàn)值。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管噴出的火焰中含有等離子體，會(huì)對(duì)無(wú)線電信號(hào)產(chǎn)生干擾使信號(hào)減弱，因此進(jìn)行鏈路計(jì)算時(shí)需要考慮火焰衰減，本文不考慮此項(xiàng)。

計(jì)算出數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)輸入端口接收到的信號(hào)功率Pin后，減去接收機(jī)的靈敏度(產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果)，獲得鏈路余量。當(dāng)鏈路余量大于設(shè)計(jì)值時(shí)，則認(rèn)為可以正常接收到數(shù)據(jù)信號(hào)，否則無(wú)法正常接收數(shù)據(jù)鏈中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)。

4 仿真分析

按照本文提出的計(jì)算方法，對(duì)某典型彈道進(jìn)行地→彈鏈路余量計(jì)算仿真分析。彈→地鏈路余量計(jì)算方法與此類同。其中，導(dǎo)彈在發(fā)射系內(nèi)坐標(biāo)和姿態(tài)角如下(圖3～圖10)：

圖3 X坐標(biāo)

圖4 Y坐標(biāo)

圖5 Z坐標(biāo)

圖6 姿態(tài)角

鏈路余量計(jì)算結(jié)果如下：

圖7 彈載天線方向角

圖8 彈載接收機(jī)天線增益

圖9 地面站發(fā)射天線增益

圖10 鏈路余量計(jì)算結(jié)果

可以看到，若鏈路余量要求不小于5 dB，則導(dǎo)彈飛行全程均滿足要求，即導(dǎo)彈能夠全程正常接收到地面站發(fā)送的傳輸信號(hào)，但在飛行末端，由于導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)，鏈路余量較小，存在一定的數(shù)據(jù)傳輸風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

本文提出了一種天線增益和數(shù)據(jù)鏈路余量計(jì)算的方法，該方法結(jié)合不同研究對(duì)象可推導(dǎo)出具體的設(shè)計(jì)過(guò)程，具有通用性。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的方法正確可行，可為工程型號(hào)研制提供技術(shù)支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景。