王海濤，馬春波

（遼寧省大連市91550部隊(duì)43分隊(duì)，遼寧大連，116023）

0 引言

水面靶標(biāo)[1]的作用是為反艦武器海上飛行試驗(yàn)提供水面艦艇目標(biāo)模擬，安裝于水面靶標(biāo)的雷達(dá)輻射源用于模擬導(dǎo)航雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)等多種艦載雷達(dá)[2]的電磁輻射特性，為反艦武器系統(tǒng)雷達(dá)被動(dòng)導(dǎo)引頭[3]提供目標(biāo)指示。海上試驗(yàn)時(shí)艦載雷達(dá)模擬主體裝備，即雷達(dá)輻射源的靶載設(shè)備安裝于靶標(biāo)船體，工作時(shí)無(wú)人值守，其海試時(shí)工作狀態(tài)控制由陸上遙控地面站試驗(yàn)人員通過(guò)無(wú)線方式遠(yuǎn)程遙控操作[4]，要求雷達(dá)輻射源的發(fā)射天線陣列始終指向反艦武器的跟蹤導(dǎo)引頭，以達(dá)到反艦武器跟蹤性能考核的目的。

1 雷達(dá)輻射源

在海上使用環(huán)境中，由于雷達(dá)輻射源所在的靶標(biāo)船體平臺(tái)自身姿態(tài)為水面航行或錨泊狀態(tài)[5]，且跟蹤攻擊靶標(biāo)飛行的反艦武器位置也始終在高速機(jī)動(dòng)變化，所以雷達(dá)輻射源的天線陣面應(yīng)具有自動(dòng)指向調(diào)整功能，以確保天線波束始終對(duì)準(zhǔn)被試反艦武器。

■1.1 雷達(dá)輻射源組成

雷達(dá)輻射源系統(tǒng)組成包括位于船體上的靶載設(shè)備和地面遙控站兩部分，圖1為系統(tǒng)靶載設(shè)備和遙控終端組成框圖。靶載設(shè)備主要由信號(hào)產(chǎn)生分系統(tǒng)、天線陣面分系統(tǒng)、伺服傳動(dòng)分系統(tǒng)、雷達(dá)控制與計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)、電源網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)和標(biāo)校設(shè)備組成；地面遙控站包括遙控計(jì)算機(jī)、遙控接口、微波或衛(wèi)星通信鏈路等。

圖1 雷達(dá)輻射源組成

圖2 伺服傳動(dòng)分系統(tǒng)組成

信號(hào)產(chǎn)生分系統(tǒng)產(chǎn)生低功率雷達(dá)模擬信號(hào)，天線陣面分系統(tǒng)對(duì)低功率雷達(dá)模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大后，由天線輻射到空間。伺服傳動(dòng)分系統(tǒng)由伺服控制模塊、方位/俯仰驅(qū)動(dòng)器、方位/俯仰電機(jī)和三維姿態(tài)測(cè)量裝置[6]等組成，根據(jù)三維姿態(tài)測(cè)量裝置給出的船體搖擺實(shí)時(shí)信息，再根據(jù)實(shí)時(shí)接收的遙控地面站發(fā)送的目標(biāo)彈道信息，進(jìn)行天線橫軸、縱軸的穩(wěn)定控制，保持發(fā)射天線陣面對(duì)反艦武器的精確對(duì)準(zhǔn)。雷達(dá)控制與計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)由控制板、遙控組件[7]等組成，遙控組件接收地面遙控站發(fā)送的遙控指令，由控制板對(duì)靶載設(shè)備各分系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)接收目標(biāo)彈道信息發(fā)送給伺服傳動(dòng)分系統(tǒng)；并向地面遙控站上傳靶載設(shè)備工作狀態(tài)信息。

■1.2 伺服傳動(dòng)分系統(tǒng)工作原理

伺服傳動(dòng)分系統(tǒng)[8]接收刀片計(jì)算機(jī)發(fā)送的引導(dǎo)數(shù)據(jù)作為位置輸入信號(hào)，與位置反饋信號(hào)即軸角編碼器數(shù)據(jù)比較，得到位置誤差信號(hào)；位置誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、校正，輸出速度控制信號(hào)經(jīng)CAN總線送給伺服驅(qū)動(dòng)器，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線向減小位置誤差信號(hào)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)；并根據(jù)三維姿態(tài)測(cè)量裝置給出的船體搖擺實(shí)時(shí)信息，實(shí)時(shí)接收遙控地面站發(fā)送的目標(biāo)彈道信息，進(jìn)行天線橫軸、縱軸的穩(wěn)定控制。如圖2所示，伺服傳動(dòng)分系統(tǒng)由伺服控制組合、天線座和三維姿態(tài)測(cè)量裝置組成。伺服控制組合由主控顯示模塊、方位/俯仰驅(qū)動(dòng)器、方位/俯仰電機(jī)、軸角編碼模塊、繼電控制模塊、遙控盒等組成；天線座由支承結(jié)構(gòu)、方位/俯仰傳動(dòng)系統(tǒng)、方位/俯仰數(shù)據(jù)傳動(dòng)裝置、安全保護(hù)裝置等組成。三維姿態(tài)測(cè)量裝置由速率陀螺和慣導(dǎo)等組成。

圖3 伺服控制回路結(jié)構(gòu)圖

伺服控制回路如圖3所示。伺服系統(tǒng)方位、俯仰驅(qū)動(dòng)均設(shè)計(jì)為一個(gè)三回路控制系統(tǒng)[9]，內(nèi)回路設(shè)計(jì)可以減少回路內(nèi)元件參數(shù)不穩(wěn)定和負(fù)載擾動(dòng)對(duì)伺服系統(tǒng)的影響?？刂苹芈酚蓛?nèi)向外分別是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。伺服控制回路結(jié)構(gòu)。由于海浪的影響靶載天線在跟蹤和對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，靶標(biāo)船體的縱搖和橫搖使得天線座的姿態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致天線無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，從而影響跟蹤及指向精度。目前常采用陀螺穩(wěn)定和前饋穩(wěn)定兩種策略隔離船搖對(duì)天線伺服系統(tǒng)的影響。針對(duì)方位俯仰型天線座，陀螺穩(wěn)定策略主要利用天線俯仰臂上的速率陀螺獲取天線方位俯仰速率進(jìn)行閉環(huán)控制，進(jìn)而隔離船體的搖擺影響。

針對(duì)船搖速度進(jìn)行補(bǔ)償。利用船上慣導(dǎo)設(shè)備采集的船搖速度信息進(jìn)行坐標(biāo)變換，得出天線伺服系統(tǒng)方位俯仰軸的速度環(huán)路補(bǔ)償量，從而實(shí)現(xiàn)船搖速度補(bǔ)償。船搖的姿態(tài)信息包含橫搖、縱搖、航向，三個(gè)軸向的船搖信息會(huì)對(duì)天線的指向造成擾動(dòng)，在伺服系統(tǒng)內(nèi)對(duì)船搖擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，可以消除船搖對(duì)天線指向的干擾。由于船搖擾動(dòng)屬于低頻擾動(dòng)，慣導(dǎo)內(nèi)部陀螺采樣率較高，且船載天線伺服系統(tǒng)的速度環(huán)帶寬并不高，因此可以忽略數(shù)據(jù)傳輸及計(jì)算造成的時(shí)間延遲。

2 目標(biāo)實(shí)時(shí)位置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

■2.1 靶載設(shè)備的目標(biāo)外引導(dǎo)彈道數(shù)據(jù)獲取

在海上試驗(yàn)中，雷達(dá)輻射源可通過(guò)遙測(cè)信號(hào)[10]或者外測(cè)信號(hào)得到反艦武器，即目標(biāo)的彈道信息。雷達(dá)輻射源靶載設(shè)備可通過(guò)遙控接口，接收來(lái)自遙控地面站的外引導(dǎo)目標(biāo)實(shí)時(shí)彈道數(shù)據(jù)，通過(guò)雷達(dá)控制與計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[11]解算后，再根據(jù)船體的實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置、航向角、縱搖和橫搖姿態(tài)角綜合解算，得到伺服傳動(dòng)分系統(tǒng)的兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位跟蹤指令和俯仰跟蹤指令，從而控制驅(qū)動(dòng)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線波束的動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)跟蹤，達(dá)到有效隔離船體的姿態(tài)變化和彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)[12]的目的。

■2.2 目標(biāo)實(shí)時(shí)位置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在實(shí)際海試中雷達(dá)輻射源靶載設(shè)備通過(guò)遙控信道獲取的目標(biāo)外部引導(dǎo)信息是目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度，通過(guò)多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可求得反艦武器在船體坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)值，其具體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的技術(shù)原理[13]如圖4所示。

設(shè)目標(biāo)在大地坐標(biāo)系O1－X1Y1Z1下的坐標(biāo)為 (Lt1,Bt1,Ht1)，將其轉(zhuǎn)化為地心坐標(biāo)系O2－X2Y2Z2下的坐標(biāo)值 (xt2,yt2,zt2)：

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理

在(1)式中，a和b分別為地球橢球的長(zhǎng)半軸和短半軸，e為第一偏心率。

然后將目標(biāo)在O2－X2Y2Z2下的坐標(biāo)值 (xt2,yt2,zt2)轉(zhuǎn)化為原點(diǎn)位于地心的北天東坐標(biāo)系O3－X3Y3Z3下的坐標(biāo)值(xt3,yt3,zt3)：

同理，將船體在大地坐標(biāo)系O1－X1Y1Z1經(jīng)緯度坐標(biāo) (Lz1,Bz1,Hz1)轉(zhuǎn)化為地心坐標(biāo)系O2－X2Y2Z2坐標(biāo)值(xz2,yz2,zz2)：

將船體在地心坐標(biāo)系O2－X2Y2Z2坐標(biāo)值（xz2,yz2,zz2）轉(zhuǎn)化為原點(diǎn)位于地心的北天東坐標(biāo)系O3－X3Y3Z3下的坐標(biāo)值（xz3,yz3,zz3）：

將目標(biāo)在原點(diǎn)位于地心的北天東坐標(biāo)系O3－X3Y3Z3坐標(biāo)值 (xt3,yt3,zt3)轉(zhuǎn)化為原點(diǎn)位于船體幾何中心的北天東坐標(biāo)系O4－X4Y4Z4下的坐標(biāo)值 (xt4,yt4,zt4)：

則反艦武器在原點(diǎn)位于船體的北天東坐標(biāo)系O4－X4Y4Z4下的坐標(biāo)值 (xt4,yt4,zt4)轉(zhuǎn)化為在船體坐標(biāo)系O－XYZ坐標(biāo)值(x,y,z)：

由（6）式，則可解算出雷達(dá)輻射源兩軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的方位指令α和俯仰指令β[14]分別為：

3 靶載設(shè)備標(biāo)校原理

雷達(dá)輻射源靶載設(shè)備標(biāo)校的目的是為了獲取發(fā)射陣面與伺服轉(zhuǎn)臺(tái)之間、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)與船體之間的三維姿態(tài)初始偏差，以便作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)的初始化角度, 包括零位標(biāo)校和靶載設(shè)備三軸（光軸、電軸和機(jī)械軸）的一致性標(biāo)校。標(biāo)校裝置由光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡、標(biāo)頭、喇叭天線等設(shè)備組成。

■3.1 零位標(biāo)校

靶載設(shè)備天線陣面在進(jìn)行方位和俯仰校準(zhǔn)前，首先要對(duì)鋼制靶載設(shè)備轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行調(diào)平操作?？紤]到船體在停泊碼頭存在姿態(tài)變化難以進(jìn)行精確標(biāo)校，對(duì)于伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和三維姿態(tài)測(cè)量設(shè)備采用岸基標(biāo)校，固連安裝平臺(tái)后整體吊裝的方式進(jìn)行。由于采取固連方式，整體吊裝于船體后，不會(huì)改變兩者的相對(duì)位置，即不會(huì)破壞岸基標(biāo)校結(jié)果，同時(shí)也降低了對(duì)設(shè)備的安裝要求。

方位零位標(biāo)校。利用光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備進(jìn)行方位標(biāo)校，并通過(guò)軟件裝訂伺服轉(zhuǎn)臺(tái)零位位置。標(biāo)校時(shí)，光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡裝在伺服轉(zhuǎn)臺(tái)上，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證其安裝軸線與轉(zhuǎn)臺(tái)零位線平行。利用兩處已知地標(biāo)，地標(biāo)A和地標(biāo)B相距1km左右，伺服轉(zhuǎn)臺(tái)位于在A處，地標(biāo)B處樹(shù)立標(biāo)校板。在地標(biāo)A通過(guò)光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡將轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備對(duì)準(zhǔn)B處的標(biāo)校板，通過(guò)解算標(biāo)校板上的十字標(biāo)志與光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的連線與正北的夾角，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備方位零位的標(biāo)校。

俯仰零位標(biāo)校。俯仰標(biāo)校是在轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰支臂上安裝一水平儀，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制俯仰支臂轉(zhuǎn)動(dòng)，直至支臂上的水泡位于水平儀的中間位置，此時(shí)通過(guò)軟件裝訂零位位置。

■3.2 三軸一致性標(biāo)校

對(duì)天線陣面的機(jī)械軸、光軸和電軸的一致性標(biāo)?？稍诜轿粯?biāo)校完成后利用上述兩處地標(biāo)進(jìn)行。通過(guò)測(cè)量天線電軸與光軸（代表機(jī)械軸）之間的固有偏差，并將此固有偏差加入至天線指向解算模塊，從而利用軟件修正的方式實(shí)現(xiàn)天線波束最大增益方向的精確指向控制。在實(shí)際標(biāo)校操作時(shí)，標(biāo)頭與標(biāo)校喇叭固連，安裝在標(biāo)校望遠(yuǎn)鏡軸線的延長(zhǎng)線上，且標(biāo)校望遠(yuǎn)鏡與陣列天線的相對(duì)位置需與標(biāo)校喇叭與標(biāo)頭的相對(duì)位置一致。標(biāo)校望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)標(biāo)頭，即意味著陣列天線對(duì)準(zhǔn)了標(biāo)校喇叭天線，控制轉(zhuǎn)臺(tái)利用喇叭天線接收的信號(hào)幅度變化確認(rèn)天線電軸與機(jī)械軸之間的固有偏差，并以軟件修正或者天線安裝位置調(diào)整的方式完成陣列天線的機(jī)械軸、光軸和電軸的一致性標(biāo)校。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)雷達(dá)輻射源靶載設(shè)備的天線陣面進(jìn)行零位標(biāo)校和三軸一致性標(biāo)校消除安裝誤差，在海試中系統(tǒng)的雷達(dá)控制與計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)將實(shí)時(shí)無(wú)線接收的目標(biāo)大地坐標(biāo)系實(shí)時(shí)位置，經(jīng)過(guò)多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得反艦武器在船體坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置，再向伺服傳動(dòng)分系統(tǒng)下發(fā)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位和俯仰跟蹤控制指令，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線波束的動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)跟蹤，有效隔離船體的海上實(shí)時(shí)姿態(tài)變化和彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在反艦武器海上飛行試驗(yàn)中雷達(dá)輻射源利用此技術(shù)解決方法，成功完成了靶標(biāo)保障工作。