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远程导弹的半实物仿真技术研究

 
远程导弹的半实物仿真技术研究
 
在各种远程导弹系统的研制中,采用全数字仿真试验难以模拟真实的电磁、信号环境;而采用全实物仿真或外场试验又面临一些难于克服的困难(如很难形成较为逼真的电磁、信号环境,试验周期长、费用高、保密性差、易受气候与环境等因素的影响)。而半实物仿真技术能有效地弥补全实物仿真或外场试验的诸多不足,试验过程及电磁信号环境均可控制、系统重复性能好,能获得比较全面的试验数据。典型的半实物仿真系统主要由目标模拟天线阵列、目标/杂波/干扰信号模拟器、目标阵列校准系统、微波暗室和仿真转台等部分组成。
 
导弹射频系统的半实物仿真技术(射频仿真技术)是在微波暗室中通过仿真手段建立起来的电磁环境来模拟目标和环境的电磁散射特性,实现射频系统(实物)的测试与仿真试验。半实物仿真具有实时性,仿真对象和仿真环境具有可变性,无需对所有的环节建立复杂的数学模型,不需要实物仿真或外场试验那么多的实物设备。半实物仿真技术兼有全数字仿真和全实物仿真的优点。可以在复杂电磁环境下(存在空中、地面、海面目标的欺骗式、宽带压制式等干扰情况),为现代雷达、电子对抗及其他射频系统提供实验室条件下的系统仿真、系统性能测试、系统性能验证与技术指标评估、系统和分系统开发以及故障诊断手段等。
 
半实物仿真技术可对导弹末制导雷达系统、无线电指令制导系统(数据链路)进行测试与性能仿真。超视距远程打击己成为现代战争的重要特征,远程导弹已广泛应用于现代战争。远程导弹广泛采用多模制导体制及远程数据链系统,这对半实物仿真技术提出了新的要求。半实物仿真在导弹型号研制过程中发挥着重要的作用,在系统调试、系统算法验证和飞行靶试结果预测等方面是一个不可或缺的试验鉴定手段。世界各军事强国竞相在新一代武器系统的研制过程中不断完善半实物仿真技术,美国海军在加州的中国湖和默古角建有完善的仿真设施,同时还首先进行了异地的分布式仿真试验¨’51。美国空军除在埃格林空军基地建有完善的半实物仿真设施,它的制导武器鉴定设施中心运行有美国及其盟国中唯一可以试验全频谱武器寻的器的设施。美国陆军的高级仿真中心(ASC)睁”始建于1960年代,ASC的半实物仿真系统支持X、K、Ka及W波段的射频制导导弹(包括地空、空空、空地导弹系统的被动、半主动、相干和不相干主动寻的、指令、驾束、成像制导导弹)从发射到拦截全过程的半实物仿真,已经支持了“爱国者”导弹(PAC3)、“地狱火”导弹和“霍克”导弹等项目的开发哺刊。
 
我国半实物仿真技术的研究与应用“州¨始于1980年代。目前国内在半实物仿真领域研究工作主要集中在天线口径较小的制导雷达系统上。已建成了多种制导雷达系统的半实物仿真系统。在半实物仿真技术研究工作中取得了可喜成绩“H引,逐步解决了制导雷达系统射频仿真中目标、杂波与干扰信号的模拟产生方法问题,球面天线阵列的设计、加工与测试、校准问题。半实物仿真技术的研究与应用有效的提高了我国新型武器的研制进度、优化了系统设计、提高了武器系统性能,也为诊断并排除系统故障、提高型号研制质量和系统效费比发挥了巨大作用,随着我国国防建设的发展,对半实物仿真技术提出了更高的要求,半实物仿真技术的研究日益重要。
 
1 远程导弹半实物仿真技术的特点
1.1远程导弹的仿真要求
新一代远程导弹采用捷联惯导+数据链指令修正+主动/被动雷达双模末制导的复合制导、高性能推进系统等先进技术,超视距作战能力、抗干扰能力和反预警机、干扰机、防区外导弹载机、巡航导弹能力将得到显著提高。从载机发射导弹,利用无线电修正指令引导导弹飞向目标,到导弹主动雷达开机截获目标,最终命中目标,。第十一届全国遥感遥测遥控学g.zH.-t会”论文集
第一部分系统总体技术与工程应用
对整个过程进行仿真、定量地研究载机无线电修正通道、雷达末制导系统对空空导弹命中概率的影响。从仿真技术角度看远程导弹与中、近距导弹相比有不同的特点:
主动/宽带被动多模复合制导体制仿真;
远距离数据链信息传输仿真;
末制导雷达系统的仿真。
1.2远程导弹半实物仿真系统
1.2.1宽带射频目标模拟器
当远程导弹导引头使用宽带被动头工作模式时,被动接收模式的工作频段一般要覆盖2~18 GHz,这就要求仿真系统的射频目标模拟器也能够工作在这样一个宽的频段。而微波器件受工作带宽的限制,因此宽带系统的设计有较大的难度。
当远程导弹导引头采用主动接收模式时,相应要求射频目标模拟器具有模拟主动目标回波特性的功能,同时还需要解决主动/被动射频目标仿真共源性的问题。共源性问题是指导引头探N-N的主动与被动目标辐射信号是同一个目标产生的,目标模拟器在实现这些目标特性的仿真时,必须保证这两种目标特征信号等效在空间上同一个位置辐射,即目标的共源性。低分辨率窄带末制导雷达系统的主要特征量是目标回波功率、功率谱、目标速度和目标距离等,其目标回波信号是窄带信号,可以通过对雷达发射信号进行时延控制、幅度和多普勒频率调制后获得。但对于高分辨率的宽带雷达系统,其发射信号和接收信号都是宽带信号。宽带雷达目标回波信号仿真可以看作是雷达发射的脉冲信号经过一个系统后的输出,该系统的系统函数取决于目标信息(距离和视线角、后相散射系数以及散射附加相移、雷达与目标间相对运动速度/多普勒相位等)。为保证所产生的雷达目标回波信号的相参性,拟采用数字射频存储处理(DRFM)技术,将通过对特定目标、背景进行建模、计算获得的目标散射特性数据、杂波散射特性数据与雷达发射信号在数字域进行实时卷积处理计算目标回波基带信号序列;通过延迟控制将计算得到的基带数据送给数据率变换器和数字正交调制器,把多普勒频率和幅度信息调制上去并获得中频目标回波信号;最后经上变频组件得到目标回波的射频信号。新体制雷达的地物、海面杂波信号、与目标信号的产生方法类似,宽带杂波与欺骗干扰信号也必须是相参的,各种欺骗干扰信号(速度欺骗干扰、距离欺骗干扰、角度欺骗干扰)的实时模拟方法也需要采用DRnI技术和实时信号处理方法实现。宽带相参射频目标模拟器的组成原理图如图1所示。
 
远程导弹的半实物仿真技术研究
 
1.2.2导航模拟器(数据链模拟器)
随着导弹攻击距离的增加,载机与导弹的信息交换必须采用远距离通信方式(如GPs、北斗)和战区网络信息共享等方式,因此在半实物仿真中需要根据实际情况研制新的数据链模拟器,来满足远程导弹的半实物仿真需要。数据链模拟器的研制难度不大。
 
在实验室环境下可以采用信息/信号注入的方式实现,参照实物系统解决好工作时序和接口关系问题就可以实现。采用卫星导航时,卫星信号模拟器主要涉及信号的产生与精度控制、电离层折射误差模拟等技术。卫星模拟器产生的卫星信号动态范围很宽,拟器作为接收机精度测试的标准信号源,对所产生的伪码延迟和载波频率的精度要求很高。为满足精度要求,必须以较高频率对模拟器的伪码和载频实施控制,使产生的信号能够及时跟踪上目标运动特性的变化。精确的电离层延迟误差模型是卫星信号模拟器,解决的难题,实际测量中应根据目标的特定情况采取不同的技术方案。在攻击中远程目标时,导弹发射后,导弹按照惯性飞行,利用弹上惯性平台,获得导弹相对惯性空间的位置和速度等信息,用以实现导弹的制导。由于各种误差及目标大机动等因素的影响,往往造成飞控系统给导引头的目标指示误差较大,甚至影响目标的截获,在实战过程中,通常采用载机数据链通道为导弹提供目标信息和载机信息,用于修正导弹中制导段的飞行弹道,以减小导航误差对目标截获的影响。为防止干扰,载机往往采用专用编码技术对载机信息和目标信息进行编码,经过调制,形成射频形式的特定波段的数据链信息。导弹接收到射频数据链信息后,进行解调、译码及信息处理,然后将信息提供给弹载计算机,用于弹道修正。数据链模拟器真实模拟载机数据链通道的功能,数据链模拟器的功能框图如图2所示。
 
远程导弹的半实物仿真技术研究2
 
1.2.3半实物仿真系统的精度
远程导弹攻击距离远,完成一次弹道仿真的时间长,造成仿真系统运行中信息传递中的累积误差较大。目前半实物仿真子系统间的工作信息传递已实现数字化,避免了数/模、模/数转换造成的较大量化误差;同时仿真计算机模型计算也都采用32位、64位浮点数格式,这样长数据格式将数字量化误差减到了最小。因此远程导弹仿真运行时间长不会带来仿真系统误差的过度累积,而影响仿真结果。
 
2远程导弹半实物仿真系统关键技术
 
2.1射频目标模拟器的结构
射频目标仿真中所要模拟的目标电磁散射特性和目标的空间属性中,除目标相对于导引头的空间角度和角度变化率外,都是用电路的形式来实现,射频目标仿真器按照实现角度运动的模拟方法来划分,有机械式射频目标模拟器和阵列式射频目标模拟器两类,其中机械式射频目标模拟器又包括轨道式和紧缩场式两种结构形式。
 
2.1.1轨道式射频目标模拟器
轨道式射频目标模拟器是采用两个相互垂直的弧形导轨,其中水平导轨一般是固定不动的,垂直导轨可以在水平导轨上面移动,同时垂直导轨上还安装有辐射喇叭天线,该喇叭天线能够沿垂直导轨运动。这样垂直导轨在水平导轨上的运动和辐射天线沿垂直导轨的运动组合就模拟了目标在空间的2自由度平面运动。这是典型机械式射频目标模拟器的结构,由于其结构简单,曾被广泛用于产品测试等工作中。
 
2.1.2紧缩场式射频目标模拟器
紧缩场式是采用2个可以相互垂直运动的2自由度框架,这2个框架上带有一个抛物面反射镜,目标模拟信号通过一天线照射该反射镜,通过反射形成平面波模拟电磁波在自由空间的传播环境,这被称为“紧缩场”技术。这样导引头就可以安装在距抛物面反射镜较近的位置上。这种方法结构上综合了仿真导弹姿态运动三轴转台,形成五轴制导过程仿真试验台。采用五轴转台的形式,使整个仿真系统结构紧凑、简单、方便。
 
2.1.3阵列式射频目标模拟器
阵列式射频目标仿真器是由若干个辐射天线按一定规律排列组成一个天线阵(线阵或面阵),每相邻的三只天线组成一个三元组。通过控制三元组中三只天线辐射信号的相对幅度和相位,改变三元组三个天线单元合成信号的视在位置,模拟目标相对于导引头的视线运动。这属于电路控制式的目标模拟器,其优点是便于模拟复杂自标(包括多目标)和复杂的射频环境。这种目标模拟器是在微波暗室环境下工作的,其工作的电磁环境比其他形式的目标模拟器要好,其缺点是技术复杂、设备量大、成本较高。
 
2.2远程导弹宽带目标模拟系统关键技术问题
远程导弹导引头被动模式的工作频段覆盖2~18 GHz,射频目标模拟器必须分频段实现,这是由于微波器件工作带宽所决定的。分频段组合实现射频目标模拟器的宽带要求从实际需要来说也是合理可行的。虽然导引头被动模式的工作频段覆盖2,-一ISGHz,但其探测目标的雷达特征信号也就是工作在几个典型的频段,如预警雷达工作在L、S波段,机载雷达工作在X波段,主动目标回波是Ku、Ka等波段,因此完全可以根据这些典型工作频段来划分,分别生成各个频段的目标特征信号。整个宽带射频目标模拟器就可以由几个不同工作频段的模拟器组合而成。这样大大简化了宽带射频目标模拟器的设计。
 
2.2.1射频目标模拟器的宽带问题
对于机械式射频信号模拟器:
目标的幅度、多普勒频率、时间延迟等参数的模拟可以按照频段组合方案研制射频目标模拟器,可满足半实物仿真宽带的需求:
由于目标运动仿真部分是通过机械运动实现的,宽带问题只涉及到一个辐射源(辐射天线)的问题,因此可以通过更换天线及馈电网络的方法实现。对于阵列式射频目标模拟器:
可以按照频段组合方案研制射频源,可满足宽带仿真的需求;
阵列式射频目标仿真器目标运动仿真部分通过天线阵列系统实现,通过调节射频信号的幅度和相位来控制目标的运动,这实际上是一个微波网络,存在着微波器件工作带宽的限制问题。解决方案依然是按照典型频段组合方案研制天线阵列系统。按照远程导弹的特点宽带天线阵列仿真系统可划分成2~6 GHz和6--18GHz两个频段组合。
 
2,2.2射频目标模拟器的共源问题,
机械式射频目标仿真器共源性的问题主要是馈源天线的安装问题,馈源天线应该安装在抛物面的焦点上,这样才能保证抛物面镜的反射波是平面波。馈源天线是一个宽频带天线,覆盖导引头主动、被动工作模式所有的工作频段。对于2~18GHz可采用一个馈源天线;对于导引头主动模式工作在Ka波段的馈源天线可通过更换安装馈源天线实现。阵列式射频目标模拟器的基本工作原理就是共用一个天线阵,将多个模拟的目标信号通过功率合成器送入天线阵列,达到方便模拟多目标的功能。当工作频率高时天线阵列上的馈源天线的间距要小些,当工作频率较低时,天线阵列上的馈源天线的间距可大些。利用这一特点合理划分、设计天线工作频段,在阵面上交叉布置这些天线,就能保证天线阵(仿真)的共源性。根据目前的技术水平和需求情况,可以将馈源天线分成2~18 GHz和26.540 GHz两个频段,这样整个实验室就可以实现覆盖从L波段到I(a波段的仿真功能。
 
2.2.3注入式仿真方法
注入式半实物仿真技术就是将根据目标信号、外部环境特征信号直接转换为中频信号或射频信号,注入导引头的中频接收机或微波接收机中,与其他导引头实物、导航控制系统实物等构成半实物仿真。利用这种仿真手段,可以解决多模目标仿真中的目标模拟共源性和宽带难题。注入式半实物仿真技术的不足是不能直接对导弹与目标相对运动环节的仿真,因此开展注入式半实物仿真技术需要研究的问题包括:flz入式仿真误差分析与评估、注入式目标模拟器生成技术、注入环节(微波注入或中频注入)等。注入式仿真方法实现的前提是产品设计留有相应注入接口。
 
3结束语
远程导弹半实物仿真涉及多个技术领域,宽带射频目标仿真可采用频段组合方案实现。论文对针对不同的射频目标仿真器结构形式,分析实旅中需要解决的关键技术问题。注入式仿真方法也是解决射频目标仿真的一种重要方法,文中还讨论了导弹半实物仿真系统中数据链模拟器组成、原理等问题。本文研究讨论的问题已经在雷达型导弹的研制中得到了应用,设计思想与设计方法也可以推广应用于类似的系统,如地空导弹、空地导弹及中远程红外型空空导弹和后继型中远程雷达型导弹的半实物仿真系统设计中。(吕茂亮,潘明海,朱根才)

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