射频制导仿真系统关键技术

袁丹，原树兴，黄桂明，赵明，何雪伟

（1.洪都航空工业集团，南昌330024；2.北方自动控制技术研究所，太原030006）

射频制导仿真系统关键技术

袁丹1，原树兴2，黄桂明1，赵明1，何雪伟1

（1.洪都航空工业集团，南昌330024；2.北方自动控制技术研究所，太原030006）

主要针对射频制导系统半实物仿真试验所涉及的关键技术进行研究，在满足试验精度条件下，完成了微波暗室仿真试验距离、微波暗室静区、系统辐射天线单元间距、系统辐射信号角位置精度，以及系统有效辐射功率等技术的关键参数设计，并分别给出了在工程应用中的实现方法，为飞行器研制所需的射频制导仿真试验条件建设提供了依据。

射频制导，半实物仿真，雷达导引头

0 引言

射频制导仿真系统可以实现飞行器射频制导控制系统的半实物仿真试验，实现飞行器导引头及相关分机的仿真性能测试，从而达到在试验室（暗室）条件下优化选择和检验飞行器制导控制系统参数，直至检验飞行器系统作战能力的目的。

射频制导仿真系统随着飞行器制导体制的变化而不断地发展，目前国内外制导体制的变化主要体现在复合制导以及信号参数范围的扩大上。频段方面，微波在向低频发展的同时，精确制导朝毫米波方向发展，向低频发展，利用电子战侦察系统进行侧向来提供制导信息，精确制导采用毫米波测角，精度高，目前大量使用8mm波段，正向3mm波段迈进。目标方面，由点目标向扩展目标和面目标（SAR和ISAR等）扩展，由单一形式制导（如射频主动、射频被动或红外等）向射频主动/被动、射频红外等两种或三种复合制导方向发展。系统组成趋于集成设计，采用软件无线电技术灵活编程，主/被动和SAR实时模拟，目标、干扰和杂波模拟，超宽带模拟等，阵列馈电系统采用宽带信号角位置模拟技术，主/被动功率管理，高精度角位置控制技术，大动态范围控制技术和角位置修正技术等。

根据射频制导仿真系统的使用背景、用途、功能和应用，结合飞行器的战技指标要求，进行系统的总体设计。本文针对系统总体设计过程中涉及到的一些技术难点进行研究和论述，并结合工程应用，给出了较好的实现措施，为飞行器研制所需的射频制导仿真试验条件建设提供了依据。

1 射频制导半实物仿真系统组成

射频制导系统在研制过程中自始至终都离不开仿真技术，特别是半实物仿真技术。半实物仿真技术能对控制规律进行动态、闭环试验验证，能检验、验证控制系统实物与模型之间的差异，从而根据试验情况去修改、完善控制规律的设计［1］。

为实现飞行器射频制导控制系统半实物仿真的需求，射频制导仿真系统的基本构成包括三大部分：参试飞行器相关实物、仿真试验环境设备和仿真计算机系统。为了更好地完成系统半实物仿真试验，将射频制导仿真系统分为两个既独立又可有机融合工作的仿真试验系统，分别是射频仿真系统和飞控仿真系统，射频制导半实物仿真系统组成结构图如图1所示。

图1 射频制导半实物仿真系统组成结构图

射频仿真系统是基于微波暗室环境下的辐射式仿真系统，主要包括：①微波暗室（屏蔽和吸波）；②射频仿真信号生成系统（含校准系统及支撑天线的阵列结构）；③三轴导引头仿真转台；④射频仿真计算机系统（含网络）；⑤仿真控制、软件模型及评估软件等。

飞控仿真系统主要包括：①飞行仿真主控计算机；②弹道仿真工作站；③三轴飞行仿真转台；④负载力矩模拟器；⑤网络（实时光纤反射内存网和交换式以太网）；⑥主控台及显控等。

2 射频制导半实物仿真系统关键技术

为模拟飞行器在实际作战中的目标和电磁环境（包括电子干扰等），需要射频制导仿真系统产生与飞行器作战方式相适应的目标和电磁环境信号。因此，射频制导仿真系统主要技术指标必须与飞行器的技术指标以及作战环境特性相适应，才能完成飞行器射频制导系统的半实物仿真试验［2］。

2.1 微波暗室仿真试验距离

射频仿真微波暗室的尺寸主要依据被试导引头的体制、工作频率、天线口面尺寸、模拟目标的视场角以及模拟目标的位置精度等要求来最终确定。

所谓微波暗室的有效长度是指被试导引头天线的回转中心至阵列及馈电系统辐射天线阵面的直线距离。由于被试导引头天线对目标探测的基本条件是目标处于导引头天线的远场区域，即天线所接收到的目标信号具有平面电磁波的性质，因此，微波暗室的有效长度，即接收天线与发射天线之间的直线距离，也即是仿真试验的距离，其基本条件是必须满足天线测量的远场条件。

收发天线间的位置关系如图2所示。

图2 收发天线间的位置关系

由发射天线等效的相位中心辐射的电磁波经过距离R到达接收天线口面，以接收天线口面中心为参考，口面边缘的相位差为：

式中，Δφmax为天线口面边缘的相位差，λ为试验波长，R为天线测试距离，D为被试设备天线口径，d为辐射源天线口径。天线口面边缘的相位差一般取Δφmax=π/8来计算天线远场的最小距离，由式（1）得到：

在过去相当长的时间内，用式（2）来确定收发天线间的最小测试距离。但由于在三元组合成时，等效辐射点可被看成是一个点源信号，因此，在射频制导仿真系统中，等效辐射源的口径尺寸可忽略不计，故式（2）简化为：

以往的工程经验进一步证实，在估算暗室有效长度时，忽略辐射源天线尺寸更为合理。

2.2 微波暗室静区

建造微波暗室，其根本目的就是要设法抑制电磁波的反射，以便在被试飞行器天线的周围建立起一个反射电平极低的“静区”［3］。衡量静区性能优劣的最主要指标是反射率，在进行微波暗室设计时，必然要进行静区反射率的估算。然而，计算静区的反射率就需要计算电磁波入射到吸波材料上之后的散射场，严格地说，计算电磁波的散射场相当复杂，长期以来，在微波暗室的工程设计中，普遍认可的做法是采用一种既方便又有效的近似计算方法——基于几何光学理论的射线追踪法［4］。

微波暗室中的电磁波基本上都属于高频场，而高频场的传播和散射具有“局部”特性，因此，可以采用几何光学的分析方法来进行定量分析和计算。几何光学的基础是“费马原理”［5］，“费马原理”认为，光线将沿着光程为极值（极大值、极小值或恒定值）的稳态路径而传播，根据“费马原理”可以确定光线的传播路径或轨迹，并且还可以推导出以下一些重要结论：

（1）光线在均匀介质中将沿直线进行传播；

（2）光线在两种均匀、透明介质的分界面上将遵从反射和折射定律；

（3）光学传播的强度定律：其振幅与传播距离的平方成反比；

（4）光学传播的相位函数：其相位随传播距离而呈线性规律变化。

应用几何光学射线追踪法来解算微波暗室的静区问题，还必须假定粘贴有吸波材料的暗室内壁对于入射的电磁波来说呈现“镜面”反射特性，即电磁波入射到吸波材料上之后，一部分能量被吸波材料吸收，另一部分能量沿着几何光学的镜面反射方向进行传播。假定，入射场为Ei，反射场为Er，则吸波材料的反射系数为：

依据上述公式和厂家提供的吸波材料指标，在满足系统技术指标要求的前提下，合理选择吸波材料，可以保证总体设计的静区指标要求。

2.3 系统辐射天线单元间距

系统辐射天线的间距选择是阵列布阵方案设计的基础，单元间距太大，不利于保证辐射信号的角位置精度，甚至会产生信号辐射角位置的多值性；单元间距太小，则阵列单元数骤增，除带来系统复杂性和投资增加外，系统的稳定性变差，同时调试与维护的工作量会明显增加，不利于射频制导仿真系统的综合使用。

通常在射频制导仿真系统的设计中辐射天线单元间距必须满足以下公式的要求，即：

式中，L为辐射天线单元的间距（rad），D为最大天线口面直径（mm），λ为最小信号波长（mm），K为系数，K=1时是极限的单元间距，工程设计上的经验值一般取K=0.8。

单元间距所带来的最大影响是三元组天线合成时所带来的平面波误差，具体分析如下：

不考虑阵面弧度对信号极化的影响，3个辐射天线极化方向均为z^，由于各辐射天线单元均视为点源，假设三元组各天线辐射单元的馈电信号幅度为Ei，相位为βi（i=1，2，3），利用场的叠加原理，可求得被试导引头天线口面处的场强为：

所以：

由余弦定理得到：

在确定了试验距离的前提下，选择一组天线单元间距，根据上述公式，并选择相应的天线口径及试验频率，计算三元组天线合成场的幅相分布，并与点源辐射天线到达被试导引头天线的辐射信号特性进行比较，可知所取天线单元间距是否满足系统设计要求。

2.4 系统辐射信号角位置精度

针对射频制导仿真系统辐射信号角位置精度指标，进行系统分析，影响该指标的主要因素和带来的误差可以概括如下：

（1）原理误差：三元点辐射形成一个辐射中心，是对于小角度近似的情况，单元间距较大时便会引入误差。

（2）设备误差：包括阵列结构、阵列天线指向、转台精度、设备长期稳定性等带来的误差，都可以通过详细设计和安装工艺等来保证，并通过定期标校来调整，对位置精度影响很小，可以忽略。

（3）暗室静区性能：即由暗室静区指标带来的误差。在微波暗室中反射波与直射波的夹角较大时误差增加，在阵列边缘处误差增加，此外，转台安装后转台（包括框架和转台底座）及转台基础等对静区特性都会带来很大影响，尤其是低频时，其影响难以估算，系统角位置精度会明显下降。

（4）近场效应的误差：可以通过软件修正，正确和有效的修正后其误差可以忽略，可和原理误差统一估算。

（5）测量装置（校准系统）带来的误差：一般来说测量系统带来的误差会比被测设备低一个数量级，校准系统的误差主要由测试天线的定位尺度（与测试频率相关）和定位精度，以及矢量网络分析仪的测相精度决定，并且随频率变低而变差，低频时误差会相应增大。

（6）幅相叠代算法误差：由于数据更新率的限制，计算机在幅相叠代时往往只能进行二次叠代。首先确保满足系统对幅度的精确性要求，由此必然带来相位误差，若保证相位误差＜10°，则在工程上一般可满足系统精度对幅相叠代的要求，并且有源幅相组件是能够实现这种算法数据的，所以，实际在工程上其叠代误差可以忽略。

（7）幅相控制带来的误差：它包括程控衰减器、程控移相器等控制器件，它们的一致性（稳定性和重复性）及各自的精度误差是在射频制导仿真系统所有误差来源中最需要控制，并且也有可能控制好的部分，这部分器件控制的性能优劣会直接影响到辐射信号角位置精度的优劣。

（8）射频信号源系统的频率稳定度也是引起辐射信号角位置精度的一个影响因素，稳定度高的射频信号源，其对系统角位置精度的影响可以忽略。

2.5 系统有效辐射功率

系统阵列天线辐射的射频信号经过一定距离的空间衰减后到达被试设备处的信号功率，即最大有效辐射功率，在总体设计上应高于被试设备探测灵敏度，同时，微波暗室中所有设施反射的信号到达被试设备处应低于被试设备的探测灵敏度，保证与直达波信号的信噪比达到30 dB以上，只有这样才能降低无用信号对被试导引头测角精度的影响，使仿真试验达到模拟真实外场试验的目的。事实上，系统有效辐射功率指标是一个范围，指标在低频时较小，在高频时较大。

实际在进行射频制导仿真试验时，根据被试设备的接收灵敏度以及不同工作频率，可以选择适当的系统有效辐射功率数值，以便优化试验，获得最佳的试验效果，特别是降低无用干扰的影响，得到最好的角位置测试精度和准确度，这是射频制导仿真试验时一个非常重要的试验手段和诀窍。

3 结论

在射频制导仿真系统实现仿真试验能力后，所进行的射频制导半实物仿真试验可以贯穿武器系统研制的全寿命周期，包括从武器系统型号研制的方案论证开始，到系统的设计、参数选择、技术攻关、分系统性能评定以及项目设计改进等全过程。

随着射频制导仿真技术的不断发展，射频制导仿真系统需要进行不断地完善和扩展，在总体设计时就会遇到一些新的技术难点和问题，比如在毫米波时系统如何实现更高的角位置精度，适应面目标的信号带宽扩展，信号功率达到更大带宽，系统仿真周期提高到更短等等，因此，需要对相关的关键技术指标做进一步地研究、探索和实践。

［1］肖卫国，尔联洁.雷达寻的制导半实物仿真系统的关键技术研究［J］.计算机仿真，2007，38（3）：51-54.

［2］倪汉昌.飞航导弹射频制导仿真技术［J］.制导与引信，1996，21（1）：25-27.

［3］方辉煌，皮德宝，陈训达，等.仿真译文集［R］.北京：北京仿真中心，1984.

［4］薛伟成.三维单纯行射线追踪法通用算法的研究与实现［R］.南京邮电大学：电磁场与微波技术，2010.

［5］梁昌洪，崔斌，宗卫华.费马原理确定柱面和锥面反射点的解析表示式［J］.电波科学学报，2004，25（3）：13-16.

Key Techniques for RF Guided Simulation System

YUAN Dan1，YUAN Shu-xing2，HUANG Gui-ming1，ZHAO Ming1，HE Xue-wei1
（1.Hongdu Aviation Industry Group，Nanchang 330024，China；
2.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China）

This paper mainly presents the key technique of semi-physical radio frequency simulation system.The key techniques are analyzed on condition that RFSS has a high accuracy.The scale of anechoic chamber，the quiet zone index，the element spacing of antenna array，the accuracy of the coordinates and the radio frequency power sent to the air by antennas are designed.In this paper，the realize ways are provied in practice，giving basis for the construction of RFSS.

radio frequency guidance，semi-physical simulation，radar seeker

E917

A

1002-0640（2015）01-0108-04

2013-11-25

：2014-01-30

袁丹（1978-），男，江西南昌人，高级工程师。研究方向：飞行器仿真。