基于无线电测向技术的弹载记录仪信标

崔丽丽 ，丁永红，尤文斌，马铁华

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原030051）

0 引言

运载飞行器、导弹的研制在航空航天事业的发展及未来战争精确打击需求中至关重要［1］。而任何运载飞行器从初期研制到最后定型，都需要经历多次现场发射试验和系统改进，而有效的弹载记录仪能够准确存储记录每次发射试验的各种环境参数及载体的工作状态，便于后续的数据分析和系统改进设计［2］。当前弹载记录仪因试验往往落在沙漠、戈壁等自然环境复杂的地方，使得人工搜寻工作变得相对困难。仅依靠人眼搜寻，会出现搜寻成本高、时间长、直接影响工程进度等问题［3］。现阶段记录仪回收大多采用释放飘带、GPS、北斗卫星等定位，但没有GPRS基站的偏僻区域，实时监控不再可行。GPS、北斗短信报文功能的使用需要与相关部门进行专门申请，费时费力，可靠性也是其重要的制约因素［4-7］。另一方面，试验后弹载记录仪着地时具有很高的加速度，记录仪中电路模块的抗冲击能力也是试验能否成功的关键［8］。本文针对此问题，设计了基于无线电测向技术的新型抗冲击弹载记录仪信标。

1 无线电测向原理

无线电测向定位过程，就是通过无线电波的发射与接收，测量目标相对于发射机的方向、距离等定位参量，估计目标位置方向的过程。其中振幅测向方法是根据测向天线上感应的电压幅度具有确定的方向特性，当天线旋转或等效旋转时，其输出电压幅度按极坐标方向图而变化这一原理来进行测向，因而振幅法测向又被称为极坐标方向图测向。根据检测来波信号幅值大小又可以分为最小信号测向法、最大信号测向法和比幅测向法［9］。

最大信号测向法要求天线具有尖锐的方向特性，测向时旋转天线，当测向机的输出端出现最大信号值时，说明天线极坐标方向图主瓣的径向中心轴指向来波方位，根据此时天线主瓣的指向就可以确定目标信号来波的方位值，如图1所示。

图1 最大信号法测向示意图Fig.1Schematic diagram of direction finding based maximum signal method

2 总体方案及信标发射机设计

2.1 总体方案设计

弹载记录仪无线电信标是目标搜寻工作的关键部分。从低功耗考虑，其总体工作流程为：1）无人机携带的发射机持续发射以1 Hz的频率发送搜索信号；2）弹载记录仪信标在落地后进入接收状态（10s开启一次，工作2s后停止，过10s再开启，如此循环），直到接收到唤醒信号后进入发射模式，连续工作10min后再次进入接收模式，等待唤醒信号，如此循环。3）信标机收到唤醒信号会连续发射信标信号，无人机检测到各个方位的信号后，通过串口将强度和对应的GPS信息发送至飞行控制端；4）飞行控制端收到此信息后，大致锁定信标机所在方位。此范围要求在以信标机为中心，半径为1km 的范围内；5）在此1km范围内以手持机快速定位回收记录仪。

记录仪外壳设计为六面体结构，微带贴片天线安装于外壳的六个表面，信标电路与记录仪电路安装于壳内。如图2所示。

图2 弹载记录仪信标效果图Fig.2 Effect diagram of missile borne beacon

2.2 信标发射机设计

弹载记录仪无线电信标的实现主要依靠无线电信号的发射和接收，测向定位的实现主要包括信标发射机模块、手持接收机模块及必要的低噪声放大接收组件，其构成框图如图3所示。

图3 测向系统构成框图Fig.3 Structure diagram of direction finding system

信标发射机基本上由基准晶振、频率合成器、混合信号微控制器、功率放大器、六个天线选择开关、馈线和微带发射天线及电源等组成。发射机结构组成图如图4所示。

图4 发射机结构组成图Fig.4 Structure diagram of transmitter

发射机选用Silicon Labs混合信号微控制器C8051F330、宽带频率合成器ADF4350和HCM245选择开关等芯片构成硬件电路，硬件电路图及实物如图5所示。

图5 发射机硬件电路及实物图Fig.5 Hardware circuit and physical diagram of transmitter

3 仿真及试验验证

3.1 抗冲击性仿真分析

记录仪跌落时根据多次现场试验经验，从约500m 高空跌落时经常会跌落到弹着点的沙土上。在仿真计算时按照此条件进行分析计算，以此考察记录仪外壳的抗冲击性能。由以往现场试验经验得知，记录仪从500m 高空跌落到地面时的速度接近时速300m／s，以下仿真分析时以300 m／s的速度进行分析计算。

弹载记录仪外壳材料采用硬质材料35CrMnSiA，其屈服极限为1 200 MPa，切线模量为2GPa，选用塑性随动硬化模型Plastic Kinermatic；灌封选用环氧树脂胶材料模型为MAT＿ELASTIC，其弹性模量Ex=2GPa，泊松比u=0.4，质量密度=1 100kg／m3［10］。图6为选取记录仪的碰撞接触面上的安装贴片天线位置的5 个质点H5059、H5072、H6457、H10397、H11123 进行等效弹塑应力分析，曲线如图7所示。

图6 跌落后接触面质点的选取Fig.6 Dot selection of contact surfaces after falling

图7 选取质点在碰撞方向的等效弹塑应力曲线Fig.7 The equivalent elastic-plastic stress curves of selection dot on collision direction

仿真表明，质点H11123 处最大等效应变为0.47%，符合跌落经验值Effect Plastic Strain范围在（0.3～0.5）%的范围。

天线按60×60×1.6mm3尺寸建立仿真模型，数值模型采用cm-g-us单位制。天线PCB 板材料参数［11］：弹性 模 量Ex=11.1 GPa，质 量 密 度=1 938kg／m3，泊松比u=0.28。如图8 所示，选取记录仪的碰撞接触面上的安装贴片天线位置的5个质点H12702、H12399、H13267、H12317、H13029进行等效弹塑应力分析，曲线如图9所示。仿真结果表明最大的等效塑性应变值为0.43%，符合跌落经验塑性应变0.3%～0.5%的范围。

图8 记录仪跌落接触面天线选取质点Fig.8 Dot selection of contact surface antenna after falling

图9 选取质点在碰撞方向的等效弹塑应力曲线Fig.9 The equivalent elastic-plastic stress curves of selection dot on collision direction

3.2 发射机模块马歇特落锤试验

马歇特锤试验标准传感器和信标发射机安装位置如图10所示。

图10 发射机模块马歇特落锤试验示意图Fig.10 Schematic diagram of transmitter Marshall drop hammer test

试验过程：将信标发射机安装固定在马歇特锤头，B＆K 公司的8309作为标准传感器也安装固定在锤头上，其灵敏度为0.048Pc／g，将电荷放大器的灵敏度设置为相同的值，达到归一化的作用，利用多功能示波器采集加速度信号。试验时将击锤升至与水平成一定的角度，然后靠重锤的重力，使击锤很快回转，打击在铁砧上而产生冲击加速度，此时传感器产生的响应信号通过电荷放大器最终由数据采集卡记录。试验过程中，通过调节铁毡上毡垫的厚度和击锤的高度可以实现对加速度信号脉宽与幅值的调节。

实验中共对信标发射模块进行了6 次落锤试验，试验数据见表1所示。

表1 6次试验数据汇总Tab.1 Test data of 6experiments

试验数据表明，发射机受到的最大冲击加速度为2.83×104g。每次试验完成后，对发射机电路模块进行测试，测试显示其工作状态正常。因此，信标发射机满足冲击要求。

3.3 记录仪信标测向定位试验

为了检测记录仪信标的性能，主要包括手持搜索机与记录仪信标的工作距离以及在测向定位过程中，手持搜索机与信标机之间的方向性测试两个方面。通过在野外空旷环境下充分模拟实际试验条件下的搜索过程，来检测监测信标机的工作状态。

试验的具体过程为：记录仪信标位置已知，以记录仪信标位置为起点，对无遮挡和部分遮挡记录仪（图11 所示）在距起点1 200 m、1 000 m、800 m、500m等直线距离处进行各个方向的信号强度测试。

图11 记录仪信标无遮挡和部分遮挡示意图Fig.11 Schematic diagram of borne beacon which unobstructed and partial occlusion

将实测数据绘制成坐标系下的曲线，方便直观的观察不同距离下手持接收机的强度和幅值，所绘制的坐标曲线分别如图12、图13所示。

图12 记录仪信标无遮挡时不同距离的测试组图Fig.12 Test curves at different distances of unobstructed borne beacon

图13 发射机部分遮挡时不同距离的测试组图Fig.13 Test curves at different distances of partial occlusion borne beacon

图12中的数据曲线表明，信标发射机无任何明显阻挡情况下：1）能够满足1km 搜索距离；2）通过手持搜索机能较好地完成既定范围内的测向定位过程；3）手持机接收天线在与发射机信源在的±30°范围内信号指向明显，测向效果良好；4）在与发射机信号源形成的±60°夹角范围以外，接收信号能力急剧下降，通过上述实测数据表明接收机方向指向明确；5）与发射机信源成垂直即±90°、反向180°夹角下，只有部分因周围山体反射而接收到的部分小的信号之外都是无信号状态，符合方向性设计要求；6）在无障碍条件下，信标发射机测向功能效果明显，在1.2km距离下，对应最大幅值3.63V，在接收天线接收角度之外，幅值下降明显，具有良好的方向性。

图13中的数据曲线表明，信标发射机部分被沙土阻挡时：1）手持机接收到的信号强度明显减弱，在800m 的距离下测向定位幅值逐渐恢复；2）附近障碍物对信标发射机的影响比较大，其接收幅值、测向距离都受到了不同程度的影响。

4 结论

本文设计了基于无线电测向技术的新型抗冲击弹载记录仪信标。该信标在传统GPS、GPRS及北斗卫星定位受限时，能有效指示记录仪方位，测向定位效果良好，并能快速回收弹载记录仪。仿真及现场模拟试验，验证了信标发射机的抗冲击性和高效的测向性能，为以后记录仪搜寻提供了新的方法。拟将无线电测向和其他搜寻方法结合，应用效果可能更好，对于实际应用还有待进一步研究。

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