反辐射导引头半实物仿真测试误差分析及修正.pdf

2023 年 2 月第 19 卷 第 1 期系统仿真技术System Simulation TechnologyFeb.，2023Vol.19，No.1反辐射导引头半实物仿真测试误差分析及修正张安民，崔连虎*，徐光耀（中国人民解放军91336部队，河北 秦皇岛 066326）摘要：针对反辐射导引头半实物仿真系统误差修正问题，依据干涉仪测向原理及近场测量条件，全面分析影响导引头测量精度的各个误差源，重点研究了干涉仪测向误差和转台中心与天线阵中心不重合产生的误差，并给出了基于几何关系的误差修正方法，最后通过仿真验证了理论分析结果。结果表明，本文提出的方法可以较好地修正这两种误差，对工程人员开展反辐射导引头半实物仿真试验具有一定的指导意义。关键词:半实物仿真试验；干涉仪测向；反辐射导引头；测向误差及修正Error Analysis and Correction of Hardware-in-the-Loop Simulation Test for Anti-Radiation SeekerZHANG Anmin，CUI Lianhu*，XU Guangyao（Unit 91336 of PLA，Qinhuangdao 066326，China）Abstract：In view of the problem of error correction in the hardware-in-the-loop simulation system of anti-radiation seeker，according to the principle of interferometer direction finding and near-field measurement conditions，various error sources that affect the measurement accuracy of seeker are comprehensively analyzed，focusing on the direction finding error of interferometer and the error caused by the misalignment between the center of turntable and the center of antenna array，and the error correction method based on geometric relationship is given.Finally，the theoretical analysis results are verified by simulation.The results show that the method proposed in this paper can correct these two errors，and has certain guiding significance for engineers to carry out hardware-in-the-loop simulation test of anti-radiation seeker.Key words：hardware-in-the-loop simulation test；interferometer direction finding；anti-radiation seeker；direction finding error反辐射导引头是反辐射武器的重要组成部分，用于完成目标探测和参数测量，支撑完成制导控制。反辐射导引头广泛采用干涉仪测向技术，由于干涉仪测向具有天线口径小、测向精度高、测向灵敏度高、反应速度快等特点1-6，因此，在反辐射导引头、主被动复合导引头中得到广泛应用。测向精度是干涉仪测向系统的核心指标，同时也是反辐射导引头内场半实物仿真试验的基础项目。在干涉仪测向系统半实物仿真试验中，由于微波暗室的物理尺寸有限以及各种各样的安装误差，会产生近场测量误差及转台中心与天线阵中心不重合误差。近场测量误差的产生机理是干涉仪测向的各个天线由于近场条件的限制不能完全满足经典的相位误差求解公式，因此无法得到准确的相位差，从而无法实现准确测向，这种误差与测试距离、转台角度以及测试频率都有关系；天线阵与转台中心不重合误差是由于设备的安装误差导致测向角度与实际角度不通信作者：崔连虎，E-mail:中图分类号:TJ765.4 文献标识码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.01.003系统仿真技术第 19 卷 第 1 期一致，这种误差是固有的（与测试距离、转台角度、测试频率等无关），可以通过测量计算进行修正。目前，相关研究文献7-9从不同角度对反辐射导引头半实物仿真相关误差开展了理论分析，但在工程实践层面还没有形成一套完善的修正补偿方案。针对上述问题，本文依据干涉仪测向原理，定量分析了近场条件下反辐射导引头测向误差和转台中心与天线阵中心不重合误差，推导出了误差公式，给出了具体的修正方法，并通过仿真结果验证了方法的正确性和有效性，对干涉仪测向系统的内场测试具有一定的指导意义。1 反辐射导引头半实物仿真试验与误差源分析 1.1反辐射导引头半实物仿真试验反辐射导引头半实物仿真试验，是在微波暗室内通过空间辐射的方式逼真复现反辐射导引头在战场上可能面临的复杂电磁环境，检验、鉴定导引头各项性能指标是否满足研制要求10。典型半实物仿真试验系统组成原理如图1所示。其中，被试导引头以实物形式接入仿真系统，相应的辐射源目标及干扰环境由射频目标仿真系统通过天线阵列模拟，并在微波暗室内空馈至导引头接收天线处。导弹弹体特性及制导控制系统以数学模型代替，运行于主仿真机。三轴飞行转台安装反辐射导引头模拟弹体姿态运动。在仿真过程中，三轴飞行转台在弹道仿真模型的控制下模拟导弹飞行姿态变化，反辐射导引头与转台固联，在微波暗室内接收并处理目标辐射源信号，完成目标识别与跟踪，生成制导信息实时发送给仿真机参与弹道模型的解算，从而实现全弹道闭环仿真模拟。1.2误差源分析反辐射导引头半实物仿真试验的误差源主要包括：近场测量误差、天线阵与转台中心不重合误差、通道相位幅度不一致误差、相位模糊误差、噪声与多径效应误差等11-14。1.2.1 近场测量误差反辐射导引头采用干涉仪测向时，需要满足天线测量远场条件，即要求到达导引头接收天线口面的电波为均匀平面波。如图2所示，发射天线辐射的电波到达接收天线口面中心与天线边缘存在r的光程差。工程中，接收天线口面接收到电波相位差为 /8（1）近似认为接收天线口面的电波数为均匀平面波。由式（1）推导出天线测量远场条件为R 2D2（2）式（2）中，R为发射天线与接收天线间的距离；D为接收天线直径；为波长。R的最小值称为瑞利距离。一般认为收、发天线间距离小于瑞利距离时为天线测量近场。在半实物仿真试验中，由于微波暗室尺寸的限制，一般很难满足远场条件，因此存在近场测量误差而且需要修正。1.2.2 天线阵与转台回转中心不重合误差由于反辐射导引头的天线阵与三轴转台的回转中心不重合，从而导致转台的偏转角度与反辐射导引头测量的方位角之间存在误差，这种误差也需要修正。1.2.3 其他误差除了上述2种误差之外，还有通道幅度相位不一致误差、相位模糊误差、噪声误差以及多径效应误差。对于通道幅度相位不一致误差、相位模糊误差以及噪声误差，可以在试验前对射频系统进行精确的标校，使误差基本可以忽略不计；而对于多径效应误差，其形成的条件比较苛刻，不具有普遍性。基于以上分析，本文主要针对反辐射导引头半实物仿真试验的近场测量误差和天线阵与转台回转中心图1反辐射导引头半实物仿真试验系统组成原理图Fig.1Schematic diagram of hardware-in-the-loop simulation test system of anti-radiation seeker图2天线测量远场条件Fig.2Far field conditions of antenna measurement40张安民，等：反辐射导引头半实物仿真测试误差分析及修正不重合误差这两类比较典型的误差源进行分析并进行修正，以提高半实物仿真试验系统的精度。2 反辐射导引头测向误差分析与修正 2.1干涉仪测向原理干涉仪测向利用测向基线上不同天线接收电波的相位差确定来波方向。如图3所示，天线A、B接收电波的相位差为=2Lsin（3）式（3）中，L为天线A、B间的基线长度；为来波方向；为波长。变换式（3），得到=arcsin(2L)（4）由式（4）可知，通过测定天线A、B接收电波的相位差，可求解出来波方向。由于|sin|1，为避免相位 产 生 模 糊，则 必 须 有|，此 时|arcsin(2L)|，故2个天线之间的最大距离Lmax=2（为最高频率的波长）。可见，要保证一定的测角精度，基线长度要短，而要保证足够的测角范围，又要求基线长度要长。因此，实际应用中通过采用长短结合的多基线技术来实现测角范围和精度的最优化。2.2反辐射导引头测向主要误差分析2.2.1近场测量误差分析干涉仪的测向误差可对式（3）求全微分，得到d=/(2Lcos)d+tan/d-tan/LdL（5）考虑设备安装能够保证基线长度L的精度，即dL0，由其引起的测向误差tan/LdL可以忽略。考虑由测频误差引起的测向误差tan/d，干涉仪测向通常采用多线阵，每条线阵负责测定规划的角度范围，一般-/3，/3或-/6，/6，tan/3，设工作频率为8 GHz，测频误差f1 MHz，可以算出=0.0375 m，d4.6910-6m，tan/d1.310-4 rad（约为0.0074），该项基本可以忽略。忽略基线长度误差与测频误差后，测向的主要误差可表示为=/(2Lcos)（6）近场条件下，干涉测向仪的相位差主要由天线近场产生的光程差决定，即=2l/（7）其中，l为近场因素产生的光程差。将式（7）代入式（6），得到近场条件下干涉仪测向误差公式为=l/(Lcos)（8）可见，干涉仪测向误差与近场光程差l成正比；与基线长度L成反比；与cos成反比（来波方向越接近基线法线方向，干涉仪测向误差越小）；干涉仪测向误差与波长无关。在多基线干涉仪中，如果光程差导致的相位差超过一定的值还会导致解模糊的错误，从而导致测向角度的错误。2.2.2转台回转中心与天线阵中心不重合误差在反辐射导引头半实物仿真试验中，为了减少转台对射频信号的遮挡、反射等不良影响，通常将导引头天线向前伸出一段距离，使导引头接收天线与转台回转中心、射频阵列相位中心不完全重合，这时将会带来测角误差，下面以单个天线阵为例进行说明，如图 4所示。在暗室坐标系中，转台回转中心为O，定义导引头天线口面中心O1坐标为（X1，Y1，Z1），阵列目标辐射位置P的坐标为（X，Y，Z）。如果将导引头天线口面中心向XOZ平面投影，就可以定义弹体的俯仰角和偏航角。假设目标辐射点为P，其相对于转台回转中心O的视线俯仰角Qf、方位角Qh，相对于天线口面O1的实际视线俯仰角Qf1、方位角Qh1，实际视线角与理论视线角之差就是视线角测量误差。设天线阵列半径为R，转台回转中心到导引头天线轴的距离为r。对于确定图3单基线干涉仪测向原理Fig.3Direction finding principle of single baseline interferometer图4天线阵中心与转台中心不重合示意图Fig.4Schematic diagram of non-coincidence between antenna array center and turntable center41系统仿真技术第 19 卷 第 1 期的半实物仿真系统，可根据导引头架设情况，通过实际测量确定R和r。于是，对于给定的、Qf、Qh，依据欧拉角定义可确定点P1、P坐标分别为|X1=r cos cosY1=r sinZ1=r cos sin（9）|X=R cosQf cosQhY=R sinQfZ=R cosQf sinQh（10）依据三角函数关系，可解得实际视线角为|Qh1=arctanZ-Z1X-X1Qf1=arctanY-Y1(X-X1)2+(Z-Z1)2（11）可求得视线角误差为Qh=Qh1-QhQf=Qf 1-Qf（12）将式（9）、（11）代入式（12），所得表达式即是视线角测量误差的数学模型15。2.3反辐射导引头测向误差修正2.3.1近场测量误差修正通常情况下，反辐射导引头采用具有多个基线的天线阵进行测向，其在半实物仿真试验中的空间关系如图5所示，转台旋转中心位于O点，天线阵的中心点位于O点，发射天线位于P（转台角度为时）点，发射喇叭到转台中心的距离为d，转台中心到天线阵的距离为r，天线1相对于O点的坐标为T1点，天线2相对于 O点的坐标为 T2点，天线 1 到转台中心的距离为PR1，天线2到转台中心的距离为PR2，天线1到转台中心的距离为OT1，天线2到转台中心的距离为OT2。根据图5的几何关系可得OT1=r2+T21，1=arctan(T1r)OT2=r2+T22，2=arctan(T2r)PT1=d2+OT21-2dOT1cos(-1)PT2=d2+OT22-2dOT2cos(-2)（13）令天线 1和天线 2的基线长度为d1=T1-T2，那么近场测量与理论远场的相位误差可表示为=2(PT1-PT2)-d1sin=2|d2+r2+T21-2dr2+T21cos -arctan(T1r)-|d2+r2+T22-2dr2+T22cos -arctan(T2r)-d1sin（14）由于反辐射导引头在得到每个基线的相位差后，还要经过校准零相位、相位差解模糊、求解方位角等过程，因此上式计算得到的修正值应当在求解每个基线的相位差时进行修正。2.3.2转台回转中心与天线阵中心不重合误差修正误差修正算法的基本思想是：在已知目标点P相对于天线口面中心O1实际视线角Qf1、Qh1的前提下，通过坐标变换方法求取目标点P相对于转台回转中心O的视线角Qf、Qh。在图4中，设线段O1P长度为R1，依据各点几何关系有|X=X1+R1 cosQf1 cosQh1Y=Y1+R1 sinQf1Z=Z1+R1 cosQf1 sinQh1X2+Y2+Z2=R2（15）将式（9）代入式（15），可解得X、Y、Z，即可求得实际辐射位置P相应的视线角15，即图5反辐射导引头近场测量空间关系示意图Fig.5Schematic diagram of spatial relationship of near-field measurement of anti-radiation seeker42张安民，等：反辐射导引头半实物仿真测试误差分析及修正|Qh=arctanZXQf=arctanYX2+Z2（16）3 仿真实现及结果分析 根据以上的理论分析，下面对不同的转台角度、不同的测试距离以及转台回转中心与天线阵中心不重合的误差修正曲线进行仿真验证。3.1 反辐射导引头近场测量误差仿真参数设置：转台角度设置为-3030，间隔为0.1；发射天线到转台中心的距离为5100 m，间隔为1 m；信号频率为6 GHz。图6（a）、（b）给出了转台角度与测量角度的关系以及进行近场修正前、后的测向误差比较，其中距离设置为10 m；图6（c）、（d）给出了距离与测量角度的关系以及近场修正前、后的测向误差比较，其中转台实际角度为30。由图6（a）、（b）可以看出，在信号频率和测试距离一定的情况下，转台角度越大，近场测量导致的测向误差越大，最大可超过1；进行近场修正后，单纯由近场测量导致的误差在10-11量级，基本可以忽略。由图6（c）、（d）可以看出，在信号频率和转台角度一定的情况下，测试距离越近，近场测量导致的测向误差越大，随着距离的增大，测向误差会不断减小，在100 m时大约为 0.12；进行近场修正后，近场测量导致的误差在10-11量级，基本可以忽略。3.2 转台回转中心与天线阵中心不重合误差仿真参数设置：转台角度设置为-5050，间隔为0.1；发射天线到天线阵中心距离为10 m（根据暗室内实际距离设置）；信号频率为6 GHz。由天线阵与转台中心不重合导致的方位误差仿真结果如图 7所示。由图7可知，当转台中心与天线阵中心重合时误差为0，随着转台角度增大误差随之增大。在反辐射导引头测试过程中，由于导引头天线阵的安装位置和转台的安装都是固定的，因此转台中心与天线阵中心不重合导致的误差是与测向角度相关的误差。基于此，可以通过将上述误差曲线作为表格，只需要根据导引头相对于发射天线与转台中心连线的角度便可以通过查表对测量值进行修正。图6反辐射导引头近场测量误差修正结果Fig.6Correction result of near-field measurement error of anti-radiation seeker43系统仿真技术第 19 卷 第 1 期4 结 论 在近场条件下，反辐射导引头测向的误差主要来源于由光程差引起的相位误差，当误差较大时甚至会影响多基线解模糊的正确性。此外，由于天线阵与转台中心不重合导致的误差也是需要考虑的主要误差。针对这两个误差来源，本文推导了近场条件反辐射导引头测向以及转台中心与天线阵中心不重合的误差公式，并给出了修正方法，最后应用仿真数据验证了理论分析结果。结果表明，本文提出的方法可以较好地修正这两种误差，对工程人员研究分析反辐射导引头半实物仿真试验的结果具有一定的指导意义。在未来工程实践中，还可能会面临反辐射导引头的二维测向问题，此时需要从二维角度综合考虑。参考文献：1李鹏，武胜波.比幅法测向及其误差分析 J.电子元器件应用，2009，11（10）：89-92.LI Peng，WU Shengbo.Amplitude comparision direction finding and error analysisJ.Electronic Component&Device Applications，2009，11（10）：89-92.2李胜，车明明.某干涉测向系统的测向精度影响及相位校准研究某 J.电子制作，2020，21（2）：53-55.LI Sheng，CHE Mingming.Research on the influence of direction finding accuracy and phase calibration of an interferometric direction finding systemJ.Practical Electronics，2020，21（2）：53-55.3李琳，居易.近场试验条件对为二维干涉仪测向系统的影响 J.舰船电子对抗，2017，40（5）：44-47.LI Lin，JU Yi.Influence of near-field test conditions on two-dimensional interferometer direction-finding system J.Shipboard Electronic Countermeasure，2017，40（5）：44-47.4张文旭，司锡才，蒋伊琳.相位干涉仪测向系统相位误差研究 J.系统工程与电子技术，2006，28（11）：1631-1632，1640.ZHANG 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