CN102722184B - 单脉冲天线角度模拟跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的单脉冲天线角度模拟跟踪方法，旨在为靶场测控系统提供一种可随时对设备跟踪性能进行检查、模拟演练的环境。本发明通过下述技术方案实现：首先以天线三轴中心为原点建立XOY平面测量坐标系；根据天线方向图简化模型构建模拟电路；绘制天线主波束以远各个角度上的和差信号幅度差-偏离角关系、和差信号幅度差-误差电压关系、偏离角-误差电压关系、偏离角-AGC电压关系四组定标曲线，建立数据映射表；其次，通过查信号幅度映射表的方法获取角度偏离控制电路的控制量、模拟产生射频跟踪信号；再经过接收链路放大、下变频后送中频跟踪接收机进行角误差信号的解调、提取，得到的方位、俯仰角误差电压送天线控制单元完成角度闭环跟踪。

Description

单脉冲天线角度模拟跟踪方法

技术领域

本发明关于飞行器测控领域，对单脉冲跟踪体制天线系统角度跟踪的模拟方法。 

背景技术

现有技术对靶场测控系统使用的训练模拟器而言，模拟内容包括角跟踪性能模拟、测距动态模拟、径向速度模拟、遥测遥控功能模拟、数传接收解调性能模拟等多项具体内容。其中角跟踪性能的仿真因其模拟角度闭环反馈系统，需要具备实时、精确的实时响应能力；另外为了保证模拟的精度，需要设计高精度、小步进的衰减器，因此模拟难度较大。 

测控系统中角度捕获是关键，它关系到整个测控任务的成败。为了保证地面测控活动的圆满执行，需要在日常工作中对岗位人员进行事前准备、捕获过程辅助训练；更需要通过相应的技术措施检查设备的动态跟踪性能。 

飞行器测控领域，S频段测控系统，通常通过跟踪过境卫星进行角度捕获的任务演练以及设备动态跟踪性能的检查。任务演练以及设备动态跟踪性能的检查时，首先查找过境卫星的星历数据，获取卫星的过境时间，并计算相对地面测控站进站的方位和俯仰角度值，在过境卫星进站前30min进行准备，天馈分系统、高频接收分系统、中频跟踪接收机、监控计算机等设备加电，天馈岗位人员置天线方位俯仰角度到等待点，待目标进入等待点，操作天线完成对过境卫星的跟踪。跟踪过境卫星需要精确知道过境卫星的轨道数据，而且受卫星过境时间的限制。 

C频段测控系统，没有过境的低轨卫星跟踪，系统动态跟踪性能通过放信标球的方式来验证。选择微风晴朗的日子，天馈分系统、高频接收分系统、中频跟踪接收机等设备加电，首先需要制氦气，制造好的氦气灌入固定好信标球的 气球中，灌满氦气的气球能飞起后，由2～3人根据风向选择适当的位置释放带有信标球的气球，天馈岗位人员操作天线完成对信标球的跟踪。放信标球的方式信标球无法回收，信标球需要冲氦气，信标球和制气成本高，制气、充气、释放气球过程需要多人参加，而且信标球的释放受气候条件限制，成功率受限制。 

测控系统缺少一种低成本、可随时对设备跟踪性能进行检查和模拟演练的环境，因此有必要研究一种角跟踪模拟设备，与测控系统的天伺馈分系统、高频接收分系统、跟踪接收机一起构成角跟踪闭环系统，以达到对岗位人员进行任务前准备、捕获过程辅助训练、检查设备动态性能的目的。 

发明内容

本发明的任务是提出一种技术方案简单、实施方法便捷、不受工作时间限制，不依赖于任何外界条件的单脉冲跟踪体制天线角度模拟跟踪方法。 

本发明通过下述技术方案实现： 

（1）首先，以天线三轴中心为原点建立XOY平面，用于表征测量站与目标的间空间关系； 

（2）利用天线方位误差电压公式、俯仰误差电压公式建立单脉冲跟踪体制天线方向图的简化模型，根据天线方向图简化模型构建角跟踪模拟器模拟电路； 

（3）以外场实际测量出的天线方向图为依据，绘制出天线主波束以远各个角度上的和差信号幅度差-偏离角关系、和差信号幅度差-误差电压关系、偏离角-误差电压关系、偏离角-AGC电压关系四组定标曲线，建立数据映射表； 

（4）设计一个可对上述模拟电路参数和工作状态进行监视，能设置、产生各种航路轨迹数据文件，能对天伺馈分系统实时角度数据接收，能对航路轨迹数据和天伺馈分系统实时角度数据进行处理，将处理结果定时发送到信号处理单元，并将采集的各类信息上报监控计算机的角跟踪模拟软件； 

（5）将角跟踪模拟器接入现役测控设备构成角跟踪闭环系统，启动安装在 角跟踪模拟器计算机的角跟踪模拟软件，模拟产生过境飞行器的运行轨迹的径向距离、角度数据作为理论值，分别计算出天线实际指向与理论值之间的方位偏离角和俯仰偏离角，查数据映射表获取角跟踪模拟器的角度偏离控制电路和差信号幅度差的控制量，控制角跟踪模拟器的方位差、俯仰差角度模拟衰减器，方位差、俯仰差射频信号产生电路模拟合成产生的射频差路跟踪信号，与归一化之后的和路跟踪信号一起馈送至跟踪信道，经过现役测控设备的高频接收链路放大、下变频到中频，此中频跟踪信号送中频跟踪接收机进行角误差信号的解调、提取，得到的方位、俯仰角误差电压送天线控制单元完成角度闭环跟踪。 

本发明具有如下有益效果。 

本发明采用理论数学模型仿真实现天线主波束（差波束线性区内，包括和波束、差波束两部分）信号的模拟产生，通过角跟踪模拟软件控制衰减器输出得到归一化之后的和、差通道射频角误差信号。实现了单脉冲体制天线的副瓣模拟功能，天线副瓣信号特征的模拟，以外场实际测量出的天线方向图为依据绘制角误差特性定标曲线、建立数据映射表，通过查表方法实现。模拟系统和路信号电平的控制，采用距离模拟衰减器来完成，差路信号电平的控制采用两个独立的角度模拟衰减器（A、E）实现，和、差信号电平归一化功能采用查表方法进行。监控软件采用Windows XP SP2操作系统，人机交互界面友好、操作使用便捷；通信和目标模拟软件采用VxWorks 5.5实时操作系统，数据处理实时性强、工作稳定可靠。 

经过通过多次模拟试验和工程应用验证，本发明提出的天线角度模拟跟踪方法其角度捕获整个过程与单脉冲跟踪体制天线测控活动中的捕获过程一致，跟踪性能良好，模拟产生的空间运动目标与任务中真实目标的运动特性无明显区别，伺服系统自跟踪正常、平稳。 

采用上述方案研制的角跟踪模拟器，可真实模拟天线产生的主瓣、副瓣信号，为用户提供了高度逼真的试验演练环境，达到了培训人员、提高业务水平的目的。 

本发明可解决地面单脉冲跟踪雷达的角度跟踪受时间、和外界条件限制的难题，为飞行器测控领域提供一种角度跟踪电路设计的新方法、新途径。对当前武器装备仿真模拟训练系统的研制具有重要的参考价值。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本项发明作进一步说明。 

图1是天线地面站测量坐标系示意图。 

图2是天线方向图建模曲线。 

图3是外场实际测量出的天线方向图。 

图4是双通道单脉冲跟踪体制天线系统的角跟踪模拟器工作原理框图。 

图5是实现本发明的角跟踪闭环系统原理框图。 

具体实施方式

参阅图1。测控站双通道单脉冲跟踪体制天线大部分采用多模馈源结构，对双通道单脉冲体制角误差信号数学建模。在接收单频信号时，以天线三轴中心为原点建立XOY平面测量坐标系，当角度误差θ很小时，天线接收到的和路信号(Σ)可以用式(1)表示： 

s_Σ(t)=Acosω_ct                           (1) 

差路信号(Δ)可以用式(2)表示： 

其中：ω_c为单频信号频率，A为信号幅度，μ为天线归一化差斜率，θ为入射电波与天线电轴之间的夹角， 为入射电波在XOY平面的投影与X轴的夹角。 

差信号： 

由上式可以看出：差信号的前项为方位误差信号，后项为俯仰误差信号。差信号s_Δ(t)在跟踪接收机中进行相干鉴相，和信号相移90°后与差信号相乘鉴相得到方位误差信号，和信号与差信号相乘鉴相得到俯仰误差信号，低通滤波后得到： 

方位误差电压： 

俯仰误差电压： 

式中K_s为鉴相器增益因子。由上式可以看出，方位、俯仰的角误差信号与目标偏离天线电轴的角度θ成正比。 

参阅图2。根据式(4)、(5)可以建立单脉冲跟踪体制天线方向图。当角度误差θ在差波束线性区内时，利用式(4)、(5)可以建立单脉冲跟踪体制天线方向图的简化模型。 

参阅图3。以外场实际测量出的天线方向图为依据，绘制出天线主波束以远各个角度上的和差信号幅度差-偏离角关系、和差信号幅度差-误差电压关系、偏离角-误差电压关系、偏离角-AGC电压关系四组定标曲线，建立数据映射表。 

设计一个可对上述模拟电路参数和工作状态进行监视，能设置、产生各种航路轨迹数据文件，能对天伺馈分系统实时角度数据接收，能对航路轨迹数据和天伺馈分系统实时角度数据进行处理，将处理结果定时发送到信号处理单元，并将采集的各类信息上报监控计算机的角跟踪模拟软件。 

角跟踪模拟软件由监控软件、通信和目标模拟软件两部分组成，两个软件分别运行在角跟踪模拟器计算机主板上，监控软件用于完成轨迹数据文件的产生并送到通信和目标模拟软件，并完成对角跟踪模拟器模拟电路状态的监测；通信和目标模拟软件接收轨迹数据文件输出的理论轨迹，接收角跟踪模拟器的接口卡送来的天馈分系统送来的实时角度数据，然后对理论轨迹和实时角度数据的方位、俯仰值做差获取方位、俯仰偏离角值，然后定时送方位、俯仰偏离角值到信号处理单元。 

参阅图4。根据天线方向图简化模型构建的角跟踪模拟器模拟电路，包括，串联在信标单元与第一功分器之间的距离模拟衰减器和控制信标工作频率、距离模拟衰减器衰减量、俯仰差角度模拟衰减器衰减量和方位差角度模拟衰减器衰减量的信号处理单元；角跟踪模拟器的接口卡、主CPU、信号处理单元通过CPCI总线通信；控制信标工作频率、距离模拟衰减器衰减量、俯仰差角度模拟衰减器衰减量和方位差角度模拟衰减器衰减量的信号处理单元，并联在方位差路角度模拟衰减器、距离模拟衰减器和俯仰差路角度模拟衰减器和信标单元之间，第一功分器通过俯仰差角度模拟衰减器串联第二功分器；方位差角度模拟衰减器串联90°移相器并联在第一功分器与第二功分器之间。模拟产生飞行器下行射频信号的信标单元由晶振、频综、电源模块等组成。接口卡与天伺馈分系统轴角编码器通信，实时获取天线实时角度数据A’、E’，将天线实时角度数据送主CPU卡通信和目标模拟软件，主CPU卡监控软件提供的理论角度值A、E，主CPU卡通信和目标模拟软件接收天线实时A’、E’和理论角度值A、E，完成方位偏离角和俯仰偏离角的实时计算，计算结果送信号处理单元，信号处理单元通过对理论角度值A、E方向图归一化差信号幅度查表，输出TTL电平实现对角度模拟衰减器衰减量的数字化控制。从信标单元输出的下行射频信标信号被送至距离模拟衰减器，目标到地面站的空间距离模拟功能完成后，射频信号送往第一功分器进行信号分路，和路信号Σ直接输出高频接收的和路端口，第一功分器差路信号△分为方位差和俯仰差两路信号，两路差信号分别送衰减范围为40dB的俯仰差角度模拟衰减器、方位差角度模拟衰减器进行角度模拟控制，控制到位后，将方位差路信号通过90°移相器移相90°后与上述俯仰差路信号在第二功分器合成一路输出，按照目标当前的距离值对距离模拟衰减器进行信号电平控制，将天线的理论角度值A、E归一化差方向图关系表存放在信号处理单元中， 信号处理单元则根据偏离角度随时调用差信号衰减量，控制俯仰差路角度模拟衰减器、方位差路角度模拟衰减器，即可实现角误差信号的模拟功能。 

天线副瓣的模拟，当天线指向偏离目标角度较远时，目标将落入地面天线副瓣。为了真实、准确的模拟出天线副瓣的信号特征，以外场实际测量出的天线方向图为依据，准确绘制出主波束以远各个角度上的和差信号幅度差-偏离角关系、和差信号幅度差-误差电压关系、偏离角-误差电压关系、偏离角-AGC电压关系四组定标曲线，偏离角包括方位、俯仰二维，建立数据映射表；通过查表方法获取和差信号幅度差的控制量，直接对图4中偏离角度模拟衰减器、距离模拟衰减器进行控制，即可实现天线副瓣接收信号的模拟。通过在角跟踪模拟软件的监控软件上设置方位或俯仰偏移2密耳（mil—千分之一英寸。OA-Minute of Angle，翻译成中文就是分角，即是指360度内的1度其中之60份之1），在中频跟踪接收机由岗位人员完成校相过程，然后根据目标飞行器的轨道预报结果由岗位人员将地面站天线指向目标进站点，当目标进入天线波束覆盖范围后，根据轨道预报值、天线实际指向值分别计算出理论值与天线指向之间的方位偏离角和俯仰偏离角，通过查信号幅度映射表的方法获取角度偏离控制电路的控制量，控制方位、俯仰射频信号产生电路中的数控衰减器衰减量，模拟产生出射频跟踪信号，经过高频接收链路放大、下变频后，将中频跟踪信号送中频跟踪接收机进行角误差信号的解调、提取，得到的方位、俯仰角误差电压送天线控制单元完成角度闭环跟踪，完成整个捕获过程的模拟。 

参阅图5。将角跟踪模拟器接入现役测控设备构成的角跟踪闭环系统，主要由和路、差路角跟踪模拟器、高频接收分系统、中频跟踪接收机、天线控制单元、天线驱动单元、监控计算机、以太网介质功能模块组成。其中，角跟踪模拟器串联高频接收分系统和中频跟踪接收机，中频跟踪接收机串联天线控制单元，天线驱动单元串联天线驱动单元，天线驱动单元串联地面站天线；该角跟 踪闭环系统，包括，相连于角跟踪模拟器、监控计算机之间的以太网介质功能模块、相互串联在角跟踪模拟器和以太网介质功能模块之间的高频接收分系统、中频跟踪接收机，中频跟踪接收通过与太网介质功能模块相连的天线控制单元和天线驱动单元连接地面站天线，地面站天线通过方位、俯仰编码器相连角跟踪模拟器。其中，角跟踪模拟器通过内置角跟踪模拟软件，将监控软件模拟产生的过境飞行器运行轨迹的方位、俯仰角度和径向距离轨道预报数据，通过以太网介质模块送监控计算机进行监视和数据通信，把输出的角度和径向距离预报数据送通信和目标模拟软件，天线方位、俯仰轴角编码输出的天线实时方位、俯仰角度数据通过接口卡送通信和目标模拟软件；伺服岗位人员根据监控软件轨道预报结果控制地面站天线指向目标进站点。监控软件的轨迹数据文件按时间序列运行，当目标轨迹数据进入天线波束覆盖范围后，角跟踪模拟器内置通信和目标模拟软件分别计算出地面站天线指向与理论值之间的方位偏离角和俯仰偏离角送图4所示信号处理单元，信号处理单元通过查信号幅度映射表获取距离模拟衰减器衰减量、俯仰差角度模拟衰减器和方位差角度模拟衰减器衰减量，并进行衰减量控制，模拟产生出射频跟踪和路、差路信号，把角跟踪模拟器输出的和路、差路信号馈送至高频接收分系统进行高频接收链路放大、下变频后，将中频和路、差路信号送中频跟踪接收机进行角误差信号的解调、提取，得到的方位误差电压和俯仰角误差电压、自动增益控制电压和锁定指示送天线控制单元，通过天线控制单元送给天线驱动单元，天线驱动单元驱动地面站天线转动，进行角度闭环跟踪。 

以上所述的仅是本发明的最佳实施例。应当指出，对于飞行器测控领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。 

Claims (2)

1.一种单脉冲天线角度模拟跟踪方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）首先，以天线三轴中心为原点建立XOY平面，用于表征测量站与目标的空间关系；

（2）利用天线方位误差电压公式、俯仰误差电压公式建立单脉冲跟踪体制天线方向图的简化模型，根据天线方向图简化模型构建角跟踪模拟器模拟电路；

（3）以外场实际测量出的天线方向图为依据，绘制出天线主波束以远各个角度上的和差信号幅度差-偏离角关系、和差信号幅度差-误差电压关系、偏离角-误差电压关系、偏离角-AGC电压关系四组定标曲线，建立数据映射表； 

（4）设计一个角跟踪模拟软件,该角跟踪模拟软件可对上述模拟电路参数和工作状态进行监视，能设置、产生各种航路轨迹数据文件，处理天伺馈分系统角度数据，并能将处理结果定时发送到信号处理单元，及时将采集的各类信息上报监控计算机的；

（5）将角跟踪模拟器接入现役测控设备构成角跟踪闭环系统，启动安装在角跟踪模拟器计算机的角跟踪模拟软件，模拟产生过境飞行器的运行轨迹的径向距离、角度数据作为理论值，分别计算出天线实际指向与理论值之间的方位偏离角和俯仰偏离角，查数据映射表获取角跟踪模拟器的角度偏离控制电路和差信号幅度差的控制量，控制角跟踪模拟器的方位差、俯仰差角度模拟衰减器，方位差、俯仰差射频信号产生电路模拟合成产生的射频差路跟踪信号，与归一化之后的和路跟踪信号一起馈送至跟踪信道，经过现役测控设备的高频接收链路放大、下变频到中频，此中频跟踪信号送中频跟踪接收机进行角误差信号的解调、提取，得到的方位、俯仰角误差电压送天线控制单元完成角度闭环跟踪。

2.根据权利要求1所述的单脉冲天线角度模拟跟踪方法，其特征在于，根据天线方向图简化模型构建的角跟踪模拟器模拟电路，包括，串联在信标单元与第一功分器之间的距离模拟衰减器；控制信标工作频率、距离模拟衰减器衰减量、俯仰差角度模拟衰减器衰减量和方位差角度模拟衰减器衰减量的信号处理单元；接口卡、主CPU、信号处理单元之间通过CPCI总线进行通信；第一功分器通过俯仰差角度模拟衰减器串联第二功分器；方位差角度模拟衰减器串联90°移相器,并联在第一功分器与第二功分器之间。

3.根据权利要求1所述的单脉冲天线角度模拟跟踪方法，其特征在于，角跟踪模拟软件由监控软件、通信和目标模拟软件两部分组成，两个软件分别运行在角跟踪模拟器计算机上，监控软件用于完成轨迹数据文件的产生并送到通信和目标模拟软件，完成对角跟踪模拟器模拟电路状态的监测，并将电路状态上报监控计算机；通信和目标模拟软件接收轨迹数据文件输出的理论轨迹，接收接口卡送来的天馈分系统的实时角度数据，然后对理论轨迹和实时角度数据的方位、俯仰值做差获取方位、俯仰偏离角值，然后定时送方位、俯仰偏离角值到信号处理单元。 

4.根据权利要求2所述的单脉冲天线角度模拟跟踪方法，其特征在于，从信标单元输出的下行射频信标信号被送至距离模拟衰减器，目标到地面站的空间距离模拟功能完成后，射频信号送往第一功分器进行信号分路，和路信号Σ直接输出到高频接收的和路端口。

5.根据权利要求4所述的单脉冲天线角度模拟跟踪方法，其特征在于，第一功分器差路信号△分为方位差和俯仰差两路信号，两路差信号分别送衰减范围为40dB的俯仰差角度模拟衰减器、方位差角度模拟衰减器进行角度模拟控制，控制到位后，将方位差路信号通过90°移相器移相90°后与上述俯仰差路信号合成一路输出；按照目标当前的径向距离值对距离模拟衰减器进行信号电平控制，将天线偏离角-误差电压关系、偏离角-AGC电压关系数据映射表存放在信号处理单元中，信号处理单元则根据偏离角度随时调用差信号衰减量，控制俯仰差角度模拟衰减器、方位差角度模拟衰减器，即可实现角误差信号的模拟功能。

6.根据权利要求1所述的单脉冲天线角度模拟跟踪方法，其特征在于，所述的角跟踪闭环系统，包括，相连于角跟踪模拟器、监控计算机之间的以太网介质功能模块、相互串联在角跟踪模拟器和以太网介质功能模块之间的高频接收分系统、中频跟踪接收机，中频跟踪接收通过与太网介质功能模块相连的天线控制单元和天线驱动单元连接地面站天线，地面站天线通过方位、俯仰编码器相连角跟踪模拟器。

7.根据权利要求6所述的单脉冲天线角度模拟跟踪方法，其特征在于，角跟踪模拟器启动角跟踪模拟软件，角跟踪模拟器将监控软件模拟产生的过境飞行器运行轨迹的方位、俯仰角度和径向距离轨道预报数据，通过以太网介质送监控计算机进行监视，把监控软件输出的角度和径向距离轨道预报数据送通信和目标模拟软件，天线方位、俯仰轴角编码输出的天线实时方位、俯仰角度数据通过接口卡送通信和目标模拟软件。

8.根据权利要求7所述的单脉冲天线角度模拟跟踪方法，其特征在于，角跟踪模拟器通过内置角跟踪模拟软件，将监控软件模拟产生的过境飞行器运行轨迹的方位、俯仰角度和径向距离轨道预报数据，通过以太网介质模块送监控计算机进行监视和数据通信，把输出的角度和径向距离预报数据送通信和目标模拟软件，天线方位、俯仰轴角编码输出的天线实时方位、俯仰角度数据通过接口卡送通信和目标模拟软件；伺服岗位人员根据监控软件轨道预报结果控制地面站天线指向目标进站点。

9.根据权利要求1所述的单脉冲天线角度模拟跟踪方法，其特征在于，监控软件的轨迹数据文件按时间序列运行，当目标轨迹数据进入天线波束覆盖范围后，角跟踪模拟器内置通信和目标模拟软件分别计算出地面站天线指向与理论值之间的方位偏离角和俯仰偏离角送信号处理单元，信号处理单元通过查信号幅度映射表获取距离模拟衰减器衰减量、俯仰差角度模拟衰减器和方位差角度模拟衰减器衰减量，并进行衰减量控制，模拟产生出射频跟踪和路、差路信号，把角跟踪模拟器输出的和路、差路信号馈送至高频接收分系统进行高频接收链路放大、下变频后，将中频和路、差路信号送中频跟踪接收机进行角误差信号的解调、提取，得到的方位误差电压和俯仰角误差电压、自动增益控制电压和锁定指示送天线控制单元，通过天线控制单元送给天线驱动单元，天线驱动单元驱动地面站天线转动，进行角度闭环跟踪。