CN107560506A - 对地无线电引信全弹道仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对地无线电引信全弹道仿真系统，包括全弹道数字模型构建模块、自差式引信天线模块、目标多普勒信号仿真模块、干扰源仿真模块、信号处理仿真模块以及GUI平台实现模块。GUI平台包括主界面、无干扰源情况下信号处理分析情况界面、干扰源参数设置界面、有干扰源情况下信号处理分析情况界面、极坐标系下引信赤道面天线方向图界面以及炮弹飞行轨迹示意图界面。本发明提升了系统的可扩展性与可重用性，节约了仿真时间，实现了对地无线电引信全弹道过程。

Description

对地无线电引信全弹道仿真系统

技术领域

本发明涉及引信信号处理技术，特别是一种对地无线电引信全弹道仿真系统。

背景技术

引信作为各种弹药终端毁伤效能的控制系统，在现代战争中越发显示出其重要的地位。长期以来，对电子战装备的性能进行准确评估是比较困难的。这不仅是因为电子战装备越来越复杂，还由于电子战装备的应用与战场电磁信号环境和作战对象密切相关。对电子战装备性能的检验与评估主要依靠外场试验或实战演习，花费大量的人力、物力和财力，而且存在耗时长、保密性差、易受环境制约等缺点。

近年来,随着科学技术的飞速发展，仿真技术已逐渐应用于装备研制的全过程。在干扰信号作用下连续波多普勒引信的信号分析与仿真也越来越多，但存在一些问题：缺乏模块化思想设计；炮弹飞行过程与引信信号分析相独立；未考虑实际引信收发天线的增益变化对信号分析的影响，天线方向性函数均设置为1；干扰信号分析不全面，未考虑不同干扰机位置对信号分析的影响；仿真系统不能虚拟实现对地无线电引信弹道全过程等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对地无线电引信全弹道仿真系统。

实现本发明目的的技术方案为：一种对地无线电引信全弹道仿真系统，包括：

全弹道数字模型构建模块，用以根据炮弹的初始速度和初始发射角，通过求解炮弹的运动方程得到任意时刻的位置和速度；

自差式引信天线模块，用以根据炮弹在不同位置对应的天线俯仰角，调用预存的天线方向性函数数据库得到该俯仰角对应的天线方向性函数；

目标多普勒信号仿真模块，用以根据炮弹落速、落角以及炮弹与目标的距离产生目标的多普勒信号，通过当前时刻的天线方向性函数对多普勒信号的幅值进行校正；

干扰源仿真模块，用以根据干扰机的位置与设置的干扰信号波形参数产生相应的干扰信号；

信号处理仿真模块，用以对接收到的目标多普勒信号和干扰信号进行傅里叶变换得到信号频率，与设定的频率门限比较，若信号频率在频率门限内，输出第一启动信号，否则无输出信号；对接收到的目标多普勒信号和干扰信号进行取包络得到信号幅值，与设定的幅值门限比较，若信号幅值大于等于设定的幅值门限，输出第二启动信号，否则无输出信号；对信号幅值求导得到幅值变化率，与设定的幅值变化率门限比较，若幅值变化率在幅值变化率门限内，输出第三启动信号，否则无输出信号；若同时满足上述三个启动信号，输出起爆信号，否则无信号输出；

GUI平台实现模块，用以输入初始数据并显示仿真结果。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)本发明采用模块化思想设计，可拓展性较强；(2)本发明考虑实际引信收发天线的增益变化对信号分析的影响，与实际情况更加贴近；(3)本发明考虑不同干扰机位置对信号分析的影响，干扰信号分析更加全面；(4)本发明的引信信号分析结合炮弹飞行过程，分析结果更准确。

附图说明

图1是炮弹在空中受力示意图。

图2是干扰信号波形选择示意图。

图3是连续波多普勒信号识别框图。

图4(a)是原始多普勒信号图。

图4(b)是经带通滤波器处理后的多普勒信号图。

图4(c)是经带通滤波器处理后的多普勒信号频率图。

图4(d)是多普勒信号幅值图。

图4(e)是多普勒信号幅值的变化情况图。

图4(f)是判决情况分析图。

图5是炮弹飞行轨迹示意图。

图6是极坐标系下某引信赤道面天线方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明的一种对地无线电引信全弹道仿真系统，包括：

全弹道数字模型构建模块，用以根据炮弹的初始速度和初始发射角，通过求解炮弹的运动方程得到任意时刻的位置和速度；

自差式引信天线模块，用以根据炮弹在不同位置对应的天线俯仰角，调用预存的天线方向性函数数据库得到该俯仰角对应的天线方向性函数；

目标多普勒信号仿真模块，用以根据炮弹落速、落角以及炮弹与目标的距离产生目标的多普勒信号，通过当前时刻的天线方向性函数对多普勒信号的幅值进行校正；

干扰源仿真模块，用以根据干扰机的位置与设置的干扰信号波形参数产生相应的干扰信号；

信号处理仿真模块，用以对接收到的目标多普勒信号和干扰信号进行傅里叶变换得到信号频率，与设定的频率门限比较，若信号频率在频率门限内，输出第一启动信号，否则无输出信号；对接收到的目标多普勒信号和干扰信号进行取包络得到信号幅值，与设定的幅值门限比较，若信号幅值大于等于设定的幅值门限，输出第二启动信号，否则无输出信号；对信号幅值求导得到幅值变化率，与设定的幅值变化率门限比较，若幅值变化率在幅值变化率门限内，输出第三启动信号，否则无输出信号；若同时满足上述三个启动信号，输出起爆信号，否则无信号输出；

GUI平台实现模块，用以输入初始数据并显示仿真结果。

进一步的，所述GUI平台实现模块包括用以输入初始数据的主界面、无干扰源情况下信号处理分析情况显示界面、干扰源参数设置界面、有干扰源情况下信号处理分析情况显示界面、极坐标系下引信赤道面天线方向图显示界面以及炮弹飞行轨迹示意图显示界面。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种对地无线电引信全弹道仿真系统，包括：

(1)全弹道数字模型构建模块

如图1所示，在地面坐标系中以时间t为自变量的炮弹质心运动方程组为：

其中：v是炮弹飞行速度，v_x、v_y分别为x方向和y方向的速度，H(y)是和高度y有关的空气密度函数，G(v)是与炮弹飞行速度v有关的阻力函数，g是重力加速度，c是与炮弹本身特性有关的特性参数，c＝0.9；图1中a为空气阻力，θ为炮弹飞行方向与x轴方向的夹角；

上述炮弹的质心运动方程组为非线性函数，通常得不到解析解，为了能精确解算出弹道方程的近似解，需采用数值分析法来求解弹道模型。下面采用龙格-库塔方法来求解弹道模型。

对于一阶精度的拉格朗日中值定理有：

对于微分方程：y(i+1)＝y(i)+h*k1

k1＝f(xi，yi)

式中：k1为i时刻的估算斜率，y(i)为i时刻的y值，h为时间间隔，xi、yi分别为i时刻的x方向和y方向的数值，y(i+1)为i+1时刻的y值，f(xi,yi)为i时刻的估算斜率；

用点xi处的斜率近似值k1与右端点xi+1处的斜率k2的算术平均值作为平均斜率k*的近似值，得到二阶精度的改进拉格朗日中值定理：

y(i+1)＝y(i)+[h*(k1+k2)/2]

k1＝f(xi,yi)

k2＝f(x(i)+h,y(i)+h*k1)

式中，x(i)为i时刻的x值；

依次类推，如果在区间[xi,xi+1]内多预估几个点上的斜率值k1，k2……km，并用他们的加权平均数作为平均斜率k*的近似值，经数学推导、求解，得出四阶龙格－库塔公式：

y(i+1)＝y(i)+[h*(k1+2*k2+2*k3+k4)/6]

k1＝f(xi,yi)

k2＝f(x(i)+h/2,y(i)+h*k1/2)

k3＝f(x(i)+h/2,y(i)+h*k2/2)

k4＝f(x(i)+h,y(i)+h*k3)

将上文中在地面坐标系中以时间t为自变量的炮弹质心运动方程组各式作为龙格－库塔一阶迭代系数，带入四阶龙格－库塔公式中；根据上述的四阶龙格－库塔公式能够精确地解算出弹道方程的近似解。求解得到的弹道飞行轨迹示意图如附图5所示。

(2)自差式引信天线模块

引信先通过天线向外辐射信号，最终又通过接收天线接收被目标反射回来的信号。自差式收发机引信信号的发射和接收共用一个射频电路和一副天线。

读取预存的天线方向性函数数据库，角度为该天线的方向，系数为该方向上的天线方向性函数。

如附图6所示，在matlab中画出极坐标系下的方向和方向性函数的关系图，由此可得到天线的方向性系数图。再转化为直角坐标系，X轴对应角度，Y轴对应方向性系数，每一个角度对应一个方向性系数的值。将上述得到的二维方向性系数图绕X轴旋转一周得到三维立体图。这个立体方向图近似认为天线方向性系数在空间的立体分布，并且随着弹体的运动做俯仰和旋转运动。本质上来说，此方向图是由一系列的1*3维点向量组成，所有对天线方向图的处理就可以转化成对1×3维坐标向量的处理。所有天线方向图1×3维矩阵的集合记为矩阵Q，设点P(x,y,z)属于Q，对P点进行操作后得到点G(x₁,y₁,z₁)，若弹体的旋转角为ξ，俯仰角为γ，则

点P首先绕X轴旋转一个γ角度，然后绕着Y轴旋转ξ，把Q集合所有点按此操作即等效于把天线进行旋转。

根据第一部分弹道飞行过程求解可知，炮弹在飞行过程中每个时刻的俯仰角是可知的，即纵坐标数值y与横坐标数值x的比值；设置弹道飞行过程中一个步长对应旋转一度，随着步长的累加，旋转角度也将逐步累加。那么对天线进行旋转，进一步可以计算出引信探测地面时所对应的方向性系数。

信号发生源和目标连线所在直线记为L，天线方向性系数的计算转化为求Q集合内的一点到直线L最短距离，近似认为信号由天线的此点发射出去，继而求得方向性系数；若电磁波从天线中心坐标(x1,y1,z1)发射，目标的坐标为(x0,y0,z0)，则这两个点所在直线L的方程为：

其中m＝x₀-x₁，n＝y₀-y₁，p＝z₀-z₁。在此处默认为电磁波由弹体坐标系中坐标(0,0,0)发射，目标为地面，则目标坐标近似认为(0,0,-h)，代入上式可以得到直线L方程。设集合Q中点P(a,b,c)，经过旋转得到点G(a1,b1,c1)，该点到直线L的距离为：

按照上述步骤分别依次计算集合Q中所有的点，可以得到最短距离的点，记为E(a2,b2,c2)，电磁波发射过程中近似认为从引信天线的E发射出去，最后经倒推将三维的点转化为二维的点，并且和预存的天线方向性函数数据库对照可以求得天线方向性系数。

因为电磁波传播速度很快，而引信工作时与目标间的距离较近，故认为引信信号收发对应的天线增益是一样的。

(3)目标多普勒信号仿真模块

在无干扰信号作用情况下，设定引信在经过最高点后距离地面60米时开始工作，发射电磁波。根据弹道方程的精确求解，可知任意时刻炮弹的速度与位置信息。当位置信息确定时，可得到对应位置的速度参量。多普勒信号的频率是和炮弹的速度一一对应的。

连续波多普勒信号为：

式中：k为混频系数，U_dM为多普勒信号幅值，ω_d为多普勒信号角频率，f_d为多普勒信号频率，v为炮弹速度，λ为引信的工作波长；U_LM为发射信号的幅值，U_Rm为回波信号的幅值，U_Rm和目标的反射能力、方位以及目标与探测器的距离R有关:

N是地面反射系数，λ是信号波长，P_t是引信的辐射功率，D_t是引信发射天线方向性系数，D_r是引信接收天线方向性函数，R_Σ是引信天线辐射电阻，H是引信对地面的垂直距离，引信发射天线方向性函数，是引信接收天线方向性函数，是天线的方向角度。

引信发射天线和接收天线方向性函数均是炮弹飞行过程中求解得到的实时天线方向性函数，而不是默认的1。通过实时天线方向性函数校正实时的回波信号的幅值，进而得到实时的多普勒信号幅值。

求解得到的多普勒信号示意图如附图4(a)所示。

(4)干扰源仿真模块：

若选择添加干扰源，则根据干扰机位置和干扰波形的选择确定干扰信号；干扰机位置包括两种状态：干扰机在目标处与干扰机在目标侧方；干扰波形选择如附图2所示，包括规则波形调幅干扰、规则波形调频干扰、非规则波形调幅干扰和非规则波形调频干扰，其中规则波形调幅干扰包括正弦波调制的瞄准式干扰和正弦波调制的扫频式干扰，规则波形调频干扰包括单一正弦波调频干扰、周期锯齿波调频干扰和周期三角波调频干扰，非规则波形调幅干扰包括噪声调幅干扰，非规则波形调频干扰包括噪声调频干扰。确定干扰机位置后选择任意一种干扰波形作为干扰源添加到仿真系统中。

对于调幅干扰信号，可以设置引信接收端接收到的干扰信号低频段幅值与引信接收端接收到的目标多普勒信号幅值的比值；对于调频干扰信号，除了可以设置引信接收端接收到的干扰信号低频段幅值与引信接收机接收到的目标多普勒信号幅值的比值，还可设置调频斜率。

设干扰信号为已调幅信号，初始相位为零，即u_J(t)＝U_Jf(t)cos(ω_Jt)式中：U_J为干扰信号的电压幅值，f(t)为干扰调制信号，ω_J为干扰信号角频率。

连续波多普勒发射信号为：u_L(t)＝U_LMcos(ω₀t)

式中：U_LM为引信发射信号的电压幅值，ω₀为发射信号的角频率。

目标回波信号为：u_R1(t)＝U_Rmcos[ω₀(t-τ)]

式中：U_Rm为目标回波信号的电压幅值，τ是目标回波信号相对发射信号的延迟时间。

引信接收机处干扰信号为：u_RJ(t)＝U_Jf(t-τ')cos[ω_J(t-τ')]

式中：τ′是干扰机干扰信号到达引信接收机的延时时间。

干扰信号和目标回波信号进行加性处理，则：

u_R0(t)＝u_R1(t)+u_RJ(t)

＝U_Jf(t-τ')cos[ω_J(t-τ')]+U_Rmcos[ω₀(t-τ)]

将上述信号经混频器相乘和检波处理，混频后的信号为：

再将上述信号经低通滤波处理，则低通滤波后的信号为：

其中令：

式中：k为混频系数，U_J为干扰信号的电压幅值，f(t)为干扰调制信号，ω_J为干扰信号角频率，U_LM为引信发射信号的电压幅值，ω₀为发射信号的角频率，U_Rm为目标回波信号的电压幅值，ω_d为多普勒信号角频率，τ是目标回波信号相对发射信号的延迟时间，τ′是干扰机干扰信号到达引信接收机的延时时间，f(t-τ')为延时τ′的干扰调制信号。

当干扰机与目标位于相同的位置，干扰机干扰信号到达引信接收机的延迟时间是引信信号延迟时间的一半，即假设干扰机是瞄准式干扰，即ω_J＝ω₀

正弦信号调制，设f(t)＝sin(Ω_jt)

式中：Ω_j为调制信号的角频率。

考察干扰信号项，有

式中：k为混频系数，U_LM为引信发射信号的电压幅值，U_J为干扰信号的电压幅值，ω₀为发射信号的角频率，ω_J为干扰信号角频率，τ′是干扰机干扰信号到达引信接收机的延时时间，f(t-τ')为延时τ′的干扰调制信号，Ω_j为调制信号的角频率，τ是目标回波信号相对发射信号的延迟时间，ω_d为多普勒信号角频率。

设Ω_j≤ω_d，取则上式变为

(5)信号处理仿真模块

对引信接收机接收到的信号先经过带通滤波器处理，得到附图4(b)所示的经过带通滤波器处理后的多普勒信号，再将此信号按照附图3进行三个支路的分析与判决。连续波多普勒信号需要同时满足下面左侧三个条件才能使系统最终启动。一次判决情况如附图4(f)所示。

式中：v_d为炮弹落速，v_min为该体制引信炮弹落速下限，v_max为该体制引信炮弹落速上限，u_d为多普勒信号幅值，U₀为该体制引信多普勒信号幅值下限，d_min为该体制引信多普勒信号幅值变化率下限，d_max为该体制引信多普勒信号幅值变化率上限，f_d为多普勒信号频率，f₀引信发射信号频率，τ是目标回波信号相对发射信号的延迟时间，R为弹目之间的距离，c为光速，λ为引信的工作波长，k为混频系数，U_LM为发射信号的幅值，U_Rm为回波信号的幅值，H是引信对地面的垂直距离，N是地面系数，v_ZF为引信多普勒信号幅值变化率。

频率采用FFT方法分析，经带通滤波器处理后的多普勒信号频率如附图4(c)所示；幅值采用经验模态分解算法分析，多普勒信号幅值如附图4(d)所示；增幅速率直接是将幅值进行求导，多普勒信号幅值的变化情况如附图4(e)所示。

经验模态分解算法计算步骤如下：

1)找出原数据序列X(t)的所有极大值点和极小值点，将其用三次样条函数分别拟合为原序列的上和下包络线；上下包络线的均值为m1；将原数据序列减去m1可得到一个减去低频的新序列h1，即h1＝X(t)－m1；

h1不一定是平稳数据序列，因此需对它重复上述过程。如h1的包络均值为m11，则去除该包络平均所代表的低频成分后的数据序列为h11，即h11＝h1－m11。

重复上述过程，得到第一个本征模函数分量c1，它表示信号数据序列最高频率的成分。

2)用X(t)减去c1，得到一个去掉高频成分的新数据序列r1；对r1再进行上述分解，得到第二个本征模函数分量c2；如此重复直到最后一个数据序列rn不可被分解，此时，rn代表数据序列X(t)的趋势或均值。算法中的极值点是指一阶导数为零的点。

(6)GUI平台实现模块

GUI平台实现模块共有六个界面，分别为用以输入初始数据的主界面、无干扰源情况下信号处理分析情况显示界面、干扰源参数设置界面、有干扰源情况下信号处理分析情况显示界面、极坐标系下引信赤道面天线方向图显示界面以及炮弹飞行轨迹示意图显示界面。

Claims (2)

1.一种对地无线电引信全弹道仿真系统，其特征在于，包括：

全弹道数字模型构建模块，用以根据炮弹的初始速度和初始发射角，通过求解炮弹的运动方程得到任意时刻的位置和速度；

自差式引信天线模块，用以根据炮弹在不同位置对应的天线俯仰角，调用预存的天线方向性函数数据库得到该俯仰角对应的天线方向性函数；

目标多普勒信号仿真模块，用以根据炮弹落速、落角以及炮弹与目标的距离产生目标的多普勒信号，通过当前时刻的天线方向性函数对多普勒信号的幅值进行校正；

干扰源仿真模块，用以根据干扰机的位置与设置的干扰信号波形参数产生相应的干扰信号；

信号处理仿真模块，用以对接收到的目标多普勒信号和干扰信号进行傅里叶变换得到信号频率，与设定的频率门限比较，若信号频率在频率门限内，输出第一启动信号，否则无输出信号；对接收到的目标多普勒信号和干扰信号进行取包络得到信号幅值，与设定的幅值门限比较，若信号幅值大于等于设定的幅值门限，输出第二启动信号，否则无输出信号；对信号幅值求导得到幅值变化率，与设定的幅值变化率门限比较，若幅值变化率在幅值变化率门限内，输出第三启动信号，否则无输出信号；若同时满足上述三个启动信号，输出起爆信号，否则无信号输出；

GUI平台实现模块，用以输入初始数据并显示仿真结果。

2.根据权利要求1所述的对地无线电引信全弹道仿真系统，其特征在于，GUI平台实现模块包括用以输入初始数据的主界面、无干扰源情况下信号处理分析情况显示界面、干扰源参数设置界面、有干扰源情况下信号处理分析情况显示界面、极坐标系下引信赤道面天线方向图显示界面以及炮弹飞行轨迹示意图显示界面。