某炮瞄雷达的轴系误差分析

顾立彬　赵选荣

(中国电子科技集团公司第二十研究所　西安　710068)

0　引言

某炮瞄雷达的天线座结构型式为俯仰-方位型，它接收警戒雷达指示的概略位置后，精确地跟踪目标，并连续准确地测出目标方位，通过指挥系统给火炮传达指令，对目标进行射击。炮瞄雷达的指向精度直接影响火炮的命中概率。天线座的轴系误差直接影响雷达的指向精度。

雷达的指向精度反映了天线电轴转到指令方向的准确度。输入指令方向与天线电轴之间的空间角定义为指向误差[1]。方位-俯仰型天线座的轴系误差直接影响指向精度。本文主要通过分析天线座的轴系误差对指向精度的影响，进而提出工程研制中常用的解决办法。

雷达的三轴是指几何轴(机械轴)、光轴和电轴。机械轴是指通过天线中心，与俯仰轴垂直的轴线。光轴指光学瞄准镜的物镜中心线所对应的射线，用它来校正天线电轴与俯仰轴的垂直度，标定天线的方位角和俯仰角。电轴是指天线波瓣增益最大方向所对应的射线[1-2]。

1　天线座轴系误差分析

方位-俯仰型天线座的轴系误差包括方位轴与俯仰轴的不正交性、水平调整剩余误差和电轴与俯仰轴的不垂直性三种。

1.1　方位轴与俯仰轴不正交性[1]

假定：方位轴铅垂，电轴与俯仰轴垂直，方位轴与俯仰轴不垂直。如图1所示，俯仰转动时，电轴在倾斜面XOZ′上转动，设任一目标P，则有：

方位角误差：ΔA≈α·tanE；

上式中：

A—天线电轴的真实方位角；

E—天线电轴的真实俯仰角；

A′—天线座方位轴转角；

E′—天线座俯仰轴转角；

ΔA—方位角误差；

ΔE—俯仰角误差；

α—俯仰轴实际位置与理想位置的空间夹角；

由上式可知，俯仰角误差为二阶微量，一般可以忽略不计。

1.2　水平调整剩余误差[1]

假定：方位轴与俯仰轴垂直、电轴与俯仰轴垂直，方位轴不铅垂。如图2所示，方位转动时，俯仰轴和电轴均在倾斜面(虚线表示)上转动，倾斜面与水平面成夹角β，则有：

方位角误差：ΔA≈γ·tanE≈β·tanE·sinA；

俯仰角误差：ΔE≈β·cosA；

上式中：

β—方位轴实际位置与铅垂线的空间夹角；

δ—俯仰轴对水平面的倾角；

1.3　电轴与俯仰轴的不垂直性[1]

假定：方位轴铅垂，方位轴与俯仰轴垂直，电轴与俯仰轴不垂直。如图3所示，电轴与机械轴的夹角为γ，当俯仰转动时，方位角误差(ΔA)和俯仰角误差(ΔE)随俯仰角变化而变化。

上式中：

γ—电轴与机械轴的空间夹角；

由上式可知，俯仰角误差为二阶微量，一般可以忽略不计。

由于三种误差都与方位角和俯仰角有关系，最大值不可能同时出现，也可以采用均方根的计算方法定义天线座轴系误差，作为天线座的轴系制造精度综合指标[3][4]，即：

2　工程研制解决方法

由于设备的制造和安装调整不准确，天线座的轴系误差不可避免，结构设计和调试中采取一些方法对其进行控制和调整，尽量缩小轴系误差对指向精度的影响。

2.1　方位轴与俯仰轴的不正交性[4]

对于方位-俯仰型天线座，影响其方位轴和俯仰轴不正交的因素主要有两种，一种是加工公差(如壳体的尺寸公差；形位公差：同轴度、平行度、垂直度等)，一种是轴承转动公差(如跳动、油隙等)。加工公差是固有因素，可以通过设计进行控制或少量调整，转动公差是随机产生的，不能调整。计算公式为：

(单位：角秒)

上式中：δ—高度差，L—跨度；

工程研制时主要的控制尺寸和公差有：俯仰壳体两侧叉臂轴承座孔的尺寸公差和同轴度、俯仰壳体上俯仰轴线对安装底面的平行度、杯形件上与俯仰壳体的安装面对方位轴承安装面的平行度等。

2.2　水平调整剩余误差

该天线座安装于舰载平台上，通过分别转动一对楔形圆盘对天线座进行调平。如图4所示：

两调平盘斜面相切合、高端对低端相对放置，两底面处于初始平行状态。上盘顺时针旋转α角，上盘的最高点到M点，此时在任意点P处两调平盘叠加的高度为：

对上式求β角的导数，并令其等于零：

得到：

由此可知：当上盘旋转α角时，两调平盘叠加高度的极值点在β1和β2处，分别为最高点和最低点，相位相差180°。两个极值点调平盘叠加高度分别为Hp1和Hp2，调平盘调整水平误差为γ，则有：

即：上调整盘旋转角α就可消除安装面水平度误差为γ，其实际调整角度在β1和β2的对角线上，调平盘高点为β1处。

2.3　电轴与俯仰轴的不垂直性

天线的电轴应与俯仰轴垂直(既与天线的机械轴重合)，如果不垂直就会产生测角误差。但是电轴与俯仰轴的垂直度不易直接测量，所以借助瞄准镜(光学望远镜)为媒介来实现。

(1)调整光轴垂直于俯仰轴

首先将天线座调平，在俯仰轴的一端安装工装，工装上存来调整螺栓，利用水平仪和千分表，使工装上的两个基准平面，一个面垂直于方位轴(水平)，另一个面垂直于俯仰轴。其次将基准望远镜(方形)安装于两个基准平面上，这样就保证了基准望远镜分划板上十字线垂直线和水平线分别于方位轴和俯仰轴平行。最后，利用靶标图为媒介安装并调节瞄准镜，使瞄准镜分划板上十字线与基准望远镜分划板上的十字线平行，原理如图5所示：

(2)调整电轴与光轴一致性[5]

瞄准镜安装固定后，就可以以光轴为基准，调整电轴，使电轴平行于光轴。首先在远离雷达的标校塔上放置一反射体(也可以通过气象气球悬吊反射体)，作为雷达跟踪目标，反射体悬挂高度不宜过低，避免地杂波对雷达有较大干扰。其次，雷达开机并跟踪发射体，此时读瞄准镜中反射体的位置坐标，判断光轴和电轴是否平行，如图2所示。如果光轴和电轴不平行，通过在高频箱与天线的安装螺栓处垫垫片或铜皮调整电轴，使其平行于光轴。反射体在瞄准镜中成像的位置坐标为P(X，Y)，瞄准镜中单位为密位(1°≈16.67mil)则有，

上式中：

l—光轴距电轴的水平距离；

h—光轴距电轴的垂直距离；

R—斜距，天线中心到目标的距离；(雷达跟踪目标后，可以直接读出数据)

在天线座方案设计时，就应提出天线座的轴系误差指标，并分解指标到水平调整剩余误差、方位轴与俯仰轴的不正交误差和电轴与俯仰轴的不垂直误差。通过控制零件尺寸公差和形位公差，高精度测量仪器，合理地调整，达到天线座要求的轴系误差指标。

3　结束语

本文首先介绍了天线座的三种轴系误差，并分析了其对指向精度的影响。其次分别就每一种轴系误差，介绍其工程研制中常用解决办法。该方法已经在多批次雷达研制调试中得到验证，具有工程指导意义。

参考文献:

[1]吴凤高. 天线座结构设计[M]. 西安: 西北电讯工程学院出版社, 1986.

[2]吴颐雷, 张大智. 一种新的雷达电轴匹配调整方法[J]. 现代导航, 2012(1): 42-45.

[3]吴迤, 测量雷达天线座轴系精度分析[J]. 电子机械工程, 2001(2): 41-43.

[4]张润逵. 雷达结构与工艺(上册)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

[5]邓安, 某雷达光轴采用CCD系统光电标校精度分析[J]. 电子机械工程, 2003(19): 34-37.