CN109856606A - 一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法，其中包括：基于面阵三角栅格布阵，引入虚拟阵元简化计算求得基础波控码；通过自定义光纤实时接收伺服模块送来的舰船姿态信息及伺服信息，采用流水线处理方式，进行航向、纵摇、横摇、伺服方位、面阵倾角五级流水的实时坐标系修正，其中的正余弦计算、波控码系数存储、矩阵乘法等方面的计算均利用Xilinx ISE开发软件自带的IP CORE进行实现，对波控码计算结果采用自动判别有效位的方式进行高精度截位；通过光纤接收到传输分系统的周期同步信号后读取资源调度模块对应的波束调度表，根据波束指向、频点、伺服信息及平台修正信息计算其下个脉冲重复周期的波束控制码。

Description

一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法

技术领域

本发明涉及调度与波束控制领域。

背景技术

相控阵雷达具有波束扫描灵活、快捷的特点，而天线波束的扫描是通过波束控制系统来实现的。波束控制系统是相控阵雷达所特有的，它取代了机械扫描雷达中的伺服驱动系统，并在舰载雷达系统中承担着舰载平台的波束电子稳定任务。一般的，舰载相控阵雷达要求电子稳定平台能够：(1)正确生成天线阵面上各个移相器的控制信号，使天线波束准确指向预定的空间方向；(2)能够自动补偿舰船行驶过程中航向、船体纵横摇、伺服方位及阵面倾斜等因素，自适应地将波束指向修正得正确稳定；(3)快速的响应能力及高效的处理能力，确保系统的响应速度。(4)尽可能减小系统设备量和体积，并降低成本。然而实现波束电子稳定却存在问题：雷达面阵天线阵元排列方式灵活，使得波束控制码计算难度加大；因舰体摇摆导致测量精度不高、影响雷达探测空域。因此，宜采用合理有效的方法降低天线面阵阵元波控码计算的复杂度；采用高精度的电子波束稳定方法进行实时修正。

本设计提出了一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法。这种波束电子稳定方法区别于一般方法，针对其天线面阵三角布阵的方式引入虚拟阵元简化计算求得基础波束控制码；针对船体摇摆等造成的波束指向不稳定，根据从伺服系统接收的舰船船体的横摇角、纵摇角、航向角及天线阵面安装的倾角，进行相关的矢量旋转的矩阵坐标系变换进行电子平台运动补偿，实现了多个波束的同时电子稳定平台解算。该方法具有使用资源少、波束解算速度快、解算精度高等特点，具有一定的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于三角布阵的二维电子稳定平台的高精度的实时解算方法。

实现本发明的解决方案是：基于ISE14.7硬件处理平台的VHDL编程实现，使用一片FPGA和一块综合接口板。引入虚拟阵元简化计算求得基础波控码，通过自定义光纤接收伺服分系统传输的舰船姿态信息和伺服信息。波控参数计算单元根据舰船姿态信息进行电子平台修正，产生平台修正信息在内部存储，当接收到周期同步信号后读取对应的波束调度表，根据波束指向、频点、伺服信息及平台修正信息计算下周期的波束控制码，最后将周期及波束控制码等波控参数通过传输分系统送至定时模块。

本发明的有益效果：

1.只采用一片FPGA，硬件资源需求少；

2.本发明针对三角布阵，引入虚拟阵元且将实现任务进行分解，简化了计算复杂度，易于实现；

3.采用流水线的实现方法，提高了计算实时性；

4.采用自动判别有效位的方式截位处理，提高了运算精度；

5.波束控制码及相关矩阵的计算均利用Xilinx ISE软件平台提供的IP CORE实现，计算误差小，增强了计算稳定性。

附图说明

图1是本发明二维电子波束稳定平台实现框图。

图2是三角形栅格布阵引入虚拟阵元转换为矩形栅格示意图。

图3是阵元排列示意图。

图4是航向变换示意图。

图5是二维波控码多波束并行处理流程图。

图6是自动判别有效位的截位处理流程图。

具体实施方式

本发明实现的一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法，包括基础波束控制码的计算及电子平台修正两个方面，具体实现框图见图1。

1.波控参数计算单元的基本功能是根据要求的相控阵天线波束指向，计算每一个阵元要求的波束控制码，控制数字移相器相位状态的转换，使天线波束指向预定指向。波控参数计算单元提供的波束控制码与天线波束指向是一一对应的。

天线阵元按三角栅格排列，三角布阵的天线波束控制相对于矩形布阵的计算更加复杂，因此本发明采用的方法是将三角形栅格排列转化为矩形栅格排列，具体做法是在两个阵元中间插入一个虚拟阵元，如图2所示。

原来行间距及列间距分别为d₂和d₁的三角形栅格排列转换为行间距及列间距分别为d₁/2和d₁的矩形栅格排列，波控参数计算单元按照矩形栅格排列方式计算对应的基础波束控制码。

由于插入虚拟阵元，阵面的阵元增加了一倍，但实际阵元并没有增加，因此T/R组件自身需要将虚拟阵元剔除掉。为方便计算，下面分析阵元矩阵栅格排列时基础波束控制码的计算。

如图3所示，天线阵面在(y,z)平面上，共有M×2N个天线阵元(由于插入虚拟阵元，实际上只有M×N)，阵元间距分别为d₁(沿z轴方向)和d₂/2(沿y轴方向)。天线波束方向图最大值的方向余弦为(cosα_x，cosα_y，cosα_z)，则相邻阵元的空间相位差为：

沿z轴方向

沿y轴方向

第(k,i)阵元相对于第(0,0)阵元的空间相位差为

φ_ik＝iφ₁+kφ₂

根据空间相位差相对于阵内相位差原理，可以求出阵列相位差

φBik＝iα+kβ

其中

上式中A和E分别为地理极坐标系下的方位角和俯仰角，资源调度单元提供的即为该坐标系下的值。K为数字移相器的位数，此时第(k,i)阵元移相器的波束控制码为：

C(k，i)＝iα+kβ

其中

整个阵面的阵内相位矩阵[φ_Bik]_MN为

上式中α和β即为方位和仰角基础波束控制码。波控参数计算单元通过光纤将方位和仰角基础波束控制码经传输分系统送至有源面阵分系统中预处理单元，预处理单元继而将其分发至T/R组件，由T/R根据自身位号产生最终的波束控制码。

以上波束控制码是基于理想情况计算得到的，没有考虑到天线阵面倾角、伺服弦角及舰船姿态角的影响，需要通过坐标变换对这些影响因素进行补偿，在计算移相器的移相值前需进行电子平台修正，得到实际应用中的波束控制码，以实现二维电子波束稳定。

2.电子平台修正

在进行电子平台修正前先对坐标系做如下定义：

电子平台修正进行坐标变换所需信息主要有阵面倾角、弦角、横摇角、纵摇角及航向角，其符号及方向规定为：

a)D即阵面倾角，阵面OX_aZ_a与平面OX_tZ_t的夹角；

b)B即舷角，天线面阵的法线在甲板面的投影与舰艏线之间的转角，顺时针为正；

c)R即横摇角，绕舰船艏艉线水平面的转角，左舷抬起为正；

d)P即纵摇角，舰船艏艉线相对于水平面的转角，舰艏抬起为正；

e)H即航向角，舰船艏艉线在水平面投影相对于正北的转角，顺时针为正。

坐标系变换开始时，地理坐标系和甲板坐标系重合，使航向角、纵摇角和横摇角一次变化，做三次变换后，完成了地理坐标系到甲板坐标系的变换；然后再进行一次甲板坐标系到旋转面阵坐标系的变换；最后再进行一次旋转面阵坐标系到天线阵面坐标系的变换。进行坐标变换变换时，上述五个角度的定义是相互牵制的关系，只有依照航向角→纵摇角→横摇角→舷角→阵面倾角这种顺序的变换方法才是最简单的，且不会引入变换误差。

由图4可知：

首先航向角H发生变化，OXYZ坐标系绕Z轴旋转H后的坐标系为OX_hY_hZ，设为单位向量，B点在OXYZ坐标系中的坐标为(x,y,z)，在OX_hY_hZ坐标系中的坐标为(x_h,y_h,z)。B点在水平面的投影点为B’，r＝OB’，r与Y轴夹角为方位A，OB与OB’的夹角为俯仰角E。

推导得到了地理坐标系与天线阵面坐标系之间的关系：

根据坐标定义，地理极坐标系与地理直角坐标系间的关系是：

将其代入地理坐标系与天线阵面坐标系之间的关系矩阵，可以得到x_α与z_α，根据几何关系，最终可得方位波束控制码α和仰角波束控制码β：

其中，系数由MATLAB量化生成，且利用Xilinx ISE自带的BLOCKROM IP CORE存储。本发明多波束并行电子平台修正流程图如图5所示，各个波束波控码计算的具体实现步骤如下：

S1：接收到的大地坐标系下的坐标值(x,y,z)^T。

S2：计算航向造成的坐标系修正矩阵T_H。

S3：计算纵摇造成的坐标系修正矩阵T_P。

S4：计算横摇造成的坐标系修正矩阵T_R，由于舰船姿态角是慢变化量，10ms内只有微小的变化，因此进行这部分坐标变换时没有太高的实时性要求。在实际工程设计当中，波控参数计算单元每隔10ms读取一次舰船姿态角，进行矩阵相乘得到矩阵T_K＝T_RT_PT_H，当完成矩阵T_K计算以后，更新T_K参数存储地址。

S5：计算伺服方位造成的坐标系修正矩阵T_B，由于本设计中天线阵面最快以30rpm高速旋转，弦角是一个快变化量，需要保证弦角变换矩阵T_B的计算实时性，否则会对雷达波束指向产生误差。在波控参数计算单元中，每个周期读取一次伺服舷角值B，其次计算弦角变换矩阵T_B，然后进行矩阵相乘得到矩阵T_DBRPH＝T_DT_BT_K。

S6：计算天线阵面倾角造成的坐标系修正矩阵T_D，阵面倾角D是固定值，因此阵面倾角变换矩阵T_D可以作为常数存储在波控参数计算单元中。

S7：存储控制码系数，由MATLAB量化生成结合d₁，d₂，λ及K计算得到系数并利用FPGA的BLOCK ROM IP CORE进行存储。当接收到周期同步信号后读取其对应的波束调度表。

S8：得到修正后的计算其下个脉冲重复周期的波束控制码方位及仰角波束控制码(α，β)^T；

其中，

通过运算任务的分解，既满足了实时性要求又降低了计算难度，增强了波控参数计算单元的稳定性。并且，矩阵T_K、T_DBRPH及波束控制码α、β的计算都在FPGA中进行的，所有的乘法运算都采用18×18位乘法器，使用Multiplier IP CORE进行乘法之后，需要进行有效取位数处理。本设计得到的Multiplier IP CORE乘积为p bit，但是最后只取有效q bit(q≤p，取位从Num_start到Num_stop之间)，因此本发明引入了基于自动判别有效位的方法进行高精度截断处理，流程图如图6所示。具体步骤为：

S1i＝p-1；

S2判断i与q是否相等，如果相等则转S5，否则进入S3；

S3判断x(i)与x(p)是否相等，如果相等则进入S4，否则转S5；

S4i＝i-1，转S2；

S5Num_start＝i，Num_stop＝i-q+1。

该截断处理方法在保持固定输出位宽的情况下，能对数据进行动态截断，最大限度地保留了数据原始有效位信息，极大地减少了截断误差，提高了处理精度。

Claims (2)

1.一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法，其特征在于：

步骤一：引入虚拟阵元简化计算求得基础波控码；

步骤二：通过自定义光纤实时接收舰船姿态信息和伺服信息；

步骤三：实时更新舰船航向、纵摇、横摇、面阵倾角信息进行波束指向修正；

步骤四：接收到周期同步信号立即读取波束调度表，根据波束指向、频点、伺服信息及平台修正信息计算其下个脉冲重复周期的波束控制码。

2.根据权利要求1所述的一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法，其特征在于：在所述步骤三之后还可以包括以下步骤：

S1：接收到的大地坐标系下的坐标值(x,y,z)^T；

S2：计算航向造成的坐标系修正矩阵T_H；

S3：计算纵摇造成的坐标系修正矩阵T_P；

S4：计算横摇造成的坐标系修正矩阵T_R；

S5：计算伺服方位造成的坐标系修正矩阵T_B；

S6：计算天线阵面倾角造成的坐标系修正矩阵T_D；

S7：由ROM存储由MATLAB量化生成的控制码系数

S8：得到修正后的方位及仰角波束控制码(α,β)^T；

其中，(x_a,y_a,z_a)^T＝T_DT_BT_RT_PT_H(x,y,z)^T，步骤S2～步骤S6采用FPGA流水线的方法，使用5级流水进行航向、纵摇、横摇、伺服方位、面阵倾角的实时坐标系修正；并且余弦计算均由Xilinx ISE开发软件自带的DDS IP CORE实现；控制码系数由MATLAB生成并由Block ROM IP CORE存储调用；所有的矩阵乘法均使用Multiplier IPCORE，乘法造成的额外bit位均采用自动判别有效位的方式进行高精度截断处理；各个波束上的仰角/方位移相值计算均是并行处理。