２００８，正 第１９卷 １０月
第５期 装备指挥技术学院学报
Ｊ ｏｕｒｎａｌ ０ｆ ｔｈｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏ｛Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｍａｎｄ＆．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００８
Ｖｏ１．１９ ＮＯ．５
连续波雷达自跟踪动目标模拟器原理与实现 梁允峰， 王 智， 孙雪梅， （６３７１ ７部队） 张润杰， 许仁军
摘 要：根据多模单喇口／＼角跟踪系统的工作原理，分析了连续波雷达和、差 信号的特征，研究了和差信号的模拟方法，给出了研制连续波雷达自跟踪动目标模拟 器的方法。
关 键 词：连续波雷达；自跟踪；动目标模拟器 中图分类号：Ｖ ４４８．２ 文章编号：１６７３—０１２７（２００８）０５—０１０９—０４ 文献标识码：Ａ Ｄ０Ｉ：１０．３７８３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—０１２７．２００８．０５．０２６
Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｏｆ Ｓｅｌｆ—ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ Ｒａｄａｒ Ｉ ＩＡＮＧ Ｙｕｎｆｅｎｇ． ＷＡＮＧ Ｚｈｉ． ＳＵＮ Ｘｕｅｍｅｉ， ＺＨＡＮＧ Ｒｕｎｊｉｅ，ＸＵ Ｒｅｎｊｕｎ （６３７１ ７ Ｔｒｏｏｐｓ。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｈｏｒｎ ｍｕｌｔｉ—ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｇｌｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ—ｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ∑ａｎｄ△ｓｉｇｎａ１ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｒａｄａｒ，ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ∑ａｎｄ△ｓｉｇｎａ１．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｍｐａｒｔｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｓｅｌｆ—ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｒａｄａｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｒａｄａｒ；ｓｅｌｆ—ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ
对于靶场测量系统而言，“捕得住，跟得稳，测 量精”是根本任务。高精度测量数据必须以捕获 跟踪为前提，而捕获、跟踪搭载卫星、载人飞船等 航天器的操作又是任务执行过程中最关键、最紧 张、最易出问题的环节。由于缺少必要的训练和 模拟设备，除了实时任务和极少数的精度校飞外． 操作手对实际的捕获跟踪很少有锻炼机会。现有 连续波雷达自跟踪调整系统的功能仅限于检验和 调整自跟踪系统的性能与状态，无法真实模拟目 标飞行状态，反映实时情况，也达不到有效锻炼伺 服操作手，提高捕获能力的目的。为达到训练操 作手和检查设备性能的目的，非常有必要对目标 实时飞行状态进行模拟。本文在深入研究分析天 线偏离飞行目标时和、差信号特征的基础上，提出 制作一个盒式的自跟踪动目标模拟器，来真实模 拟任务的动态目标。该模拟器不仅能在现有连续 波雷达设备上使用，而且可在即将投入使用的高 精度测速雷达系统中应用。
１ 多模单喇叭角跟踪系统的工作 原理 目前，我国高精度外测系统主干设备所用到 的连续波雷达自跟踪系统为多模单喇叭角跟踪系 统，该系统所用到的天线为单喇叭多模馈源，其有 ２个模：和模ＴＥｌ１（产生和信号）和差模ＴＥ２１（产 生差信号）。当天线偏离目标时，差模被强烈激 励，产生出的信号相对幅度和相对相位反映出天 线偏离飞行目标角度的大小和方向。该信号经接 收机锁相放大和鉴相检波后．产生反映方位和俯 仰直流误差信息送到伺服系统，经伺服校正放大，
收稿日期：２００８—０４ １７ 作者简介：粱允峰，男，助理工程师．学士．主要研究方向：航天器测量控制．ｙｉｎｇ．１ ２２５＠１６３．ｃｏｒｎ ｌ１０ 装备指挥技术学院学报 ２００８年 控制天线对准目标，实现自动跟踪。 从单喇叭多模馈源输出的和、差信号可以表 示为 ｅ∑一Ｐ （Ｒ）ｓｉｎ ｗｔ （１） ｅ△一 （Ｒ）Ａａｓｉｎ（ｗｔ＋ ＋ ） （２） 式中： 为相对斜率，即偏离单位角后差信号与和 信号的幅度之比；Ｐ （Ｒ）为天线接收距离是Ｒ的 目标信号强度； 为高频和信号支路与高频差信 号支路的相位差，通过移相处理， 应调整为０； 为天线电轴偏离目标产生差信号时的方向角，表 示为和、差信号的相位差，即差信号的相位；△ａ为 天线电轴偏离目标的总误差角。 由于 应调整为０，一般也可将 看成和、差 信号总的相位差，则差信号为 △＝．￡￡Ｐ （Ｒ）△ａｓｉｎ（ ￡＋ ） （３） 和、差信号分别送人接收机和、差通道，经 ５ｋＨｚ调制、锁相环放大、变频后，解调出方位和俯 仰误差电压分别为 ＵＡ—ｇｔ￣＆ａｃｏｓ∞ （４） ＵＥ—Ｋ Ａａｓｉｎ （５） 式中：Ｋ为放大常数，且方位、俯仰放大量基本一 致。将方位、俯仰直流误差电压送给伺服，带动电 机，驱动天线，完成自动跟踪目标的任务。 ２ 自跟踪动目标模拟器系统原理ｎ 本文所设计的连续波雷达自跟踪动目标模拟 器的系统原理，如图１所示。 图１连续波雷达自跟踪动目标模拟器系统原理 工控计算机将伺服送来的实时方位、俯仰角 度与理论方位、俯仰角度进行比对，计算出总误差 角、相位，并将其转换成控制信号送入自跟踪动目 标模拟器，控制差信号的电平和相位。同时将理 论距离转换成控制微波信号源输出的控制信号， 送入自跟踪动目标模拟器。模拟器输出的和、差 信号送人接收机，经接收机调制、放大、解调出方 位、俯仰误差电压后送伺服，经伺服去控制天线位 置。随着计算机时间的变化产生相应的目标空间 位置，使天线位置随之变化，同时得到相应的位置 参数，伺服又实时将角度参数送给工控计算机，实 时角度又与理论信息进行比对，得到控制信号送 入自跟踪动目标模拟器。这样连续不断变化即达 到模拟目标实时飞行状态和实时跟踪的目的，并 且该模拟器配合软件可以根据任务特征，设置任 务特征点，锻炼操作手跟踪捕获能力，达到锻炼伺 服操作手的目的。
３ 自跟踪动目标模拟器的设计 ３．１ 自跟踪动目标模拟器信号流程 自跟踪动目标模拟器为一个盒式部件，主要 有微波信号源（包括外部信号源和集成信号源）、 分路器、衰减器、移相器等构成。自跟踪动目标模 拟器用工控计算机，根据理论弹道距离远近计算 出电平控制信号，去控制衰减器１输出的微波信 号（衰减器１输入信号可以是外部信源如 ＨＰ８６７２输入的信号，也可以是内部集成信源产 生的信号）的电平，然后将微波信号经分路器分成 分成２路，一路去和支路模拟和信号，另一路再经 过由总误差角产生的控制信号控制衰减器２的电 平，之后通过相位控制信号控制移相器，经过移相 后的信号送入差支路模拟差信号。自跟踪动目标 模拟器信号流程如图２。
磊 医 ＿－ｆ磊ｉ 磊 巡
集成信源 工控计算机 号 电平控制信号 Ｊ ｌ Ｌ 一 总误差角产生的控制信号ｌ ｌ
方向角产生的相位控制信号 赢
图２ 自动跟踪动目标模拟器信号流程 要使自跟踪动目标模拟器能真实模拟动目 标，必须实时计算出天线偏离目标的总误差角 △。、方向角 （即差信号相位）以及和差信号电平 与空间距离的关系，并将其作为控制信息去改变 相应的衰减器和移相器。 ３．２控制信号的推算 前文中已多次提到电平、总误差角、相位３个 控制量，下面就这３个控制量进行推算。 ３．２．１ 和、差信号电平与空间距离的关系 信号电平设计的基本依据是雷达方程。对于 二次雷达（即有应答机配合的雷达）可以分为上行 第５期 梁允峰．等：连续波雷达自跟踪动目标模拟器原理与实现 ｌ１１ 方程和下行方程。其中，下行方程计算｝ｎ的信号 电平即是接收机接收到的电平。其下行信号电平 的数学表达式为 Ｐ （Ｒ）一１０ｌｇ Ｐ、，＋Ｇ、＋ Ｇ一２０１ｇ＿４ｒｃＫＬ （ｄＢｗ） （６）
＾
式中：Ｐ 为应答机转发的功率（单位为Ｗ）；Ｇ 为
应答机发信号天线的增益；Ｇ为雷达接收天线的
增益；２０１ｇ 为信号在空间的衰减； 为丁作波 Ａ
长（单位为ｍ）；Ｌ 为下行信号其他损耗的总和。
般Ｐ—Ｇ 、Ｇ在设计时为已知量．总损耗 Ｌ 根据下行信号传播环境也可进行估算，Ｐ Ｇ 、Ｇ、Ｌ 和Ｔ作波长 代入式（６）．即可得 距离 与电平的关系式。 ３．２．２ 方向角＠与误差角度之间的关系 设目标为Ｐ，Ｐ偏离天线电轴ＯＺ的总误差 角大小为△ａ．方向角为 。偏离电轴的距离为 ＯＰ，ＯＰ在Ｘ０ｙ平面的投影为０Ｐ ，０Ｐ 与Ｘ轴 的夹角即为方向角。以０Ｘ（方位轴）、（）ｙ（俯仰 轴）、ＯＺ（天线电轴）为立方体相邻三边、以（）Ｐ为 对称轴建立一个空间立体坐标系，如图３所示。 则其中 ＣＯＡ为理论方位角度（Ａ）与实时方位 角度（Ａ ）之差． ＣＯＢ为理论俯仰角度（Ｅ）与实 时俯仰角度（Ｅ ）之差。
图３ 目标偏离天线电轴时建立的立体关系 设 ＣＯＡ：△Ａ＝Ａ—Ａ ， ＣＯＢ一△Ｅ—Ｅ— Ｅ ，ＯＰ＝１．一般跟踪状态下△Ａ与△Ｅ都很小。 由 一 ＿ｃ０ｔ 一而ｔａｎ ＡＡｔａｎ ＣＯＢ ｓｉｎ 可 … ｔａｎ△Ｅ’
推导
一ａｒｃｃｏｔ ＡＡ （７）
由于 一ａｒｃｃ。 ＡＡ的范围有限而方向角
的实际范围是０～２ ７【．所以 需要根据△Ａ与△Ｅ
的正负关系来判断具体 的值。 ３．２．３ 总误差角与角度差的关系 由图３，根据几何原理有ＡＣ。＋ＣＢ。一ＣＰ ． 可推 △ 一４－ａｒｃｃＯｓ、／ ＿二干 干 面 （８） 由此得到所需的全部３个控制量，由软件将 其转换成控制信号，送人相应的衰减器、移相器。
４ 自跟踪动目标模拟器的实现 利用监控微机上编写的软件将３个控制量转 换成控制信号送入模拟器，通过单片机，控制相应 的衰减器、移相器，时信号进行衰减或移相，来模 拟接收机接收到的反映动目标实时状态的和、差 信号，达到模拟目标实时飞行状态的目的。 ４．１移相器的选择 在本设计中，无论是数控移相器还是模拟移 相器都可以在设计中应用。数字移相器和以往所 用的模拟移相器相比，可实现较小的相移步进和 精确的相位调整，通过ＴＴＩ 接口和计算机相连， 控制方式快捷简单，可靠性高，环境适应能力强。 模拟移相器相位调节连续，但需要将控制信息转 换成模拟信息，这就需要增加Ｄ／Ａ转换电路。 若数控移相器为８位，控制范围为０～３６０。， 则移相控制精度为△ ＝３６０。／２ ≈１．４。。自跟踪 误差电压的精度可达０．Ｏ１ Ｖ，误差电压一般调整 为１ Ｖ左右，允许误差为０．１ Ｖ，自跟踪调整误差 电压控制在０．０５ Ｖ以内。设数控移相器控制数 增加１，前后相位差为 一 一△ ≈１．４。。 俯仰误差电压之差为 Ｕ２＝Ｋ Ａａｓｉｎ ２一Ｋ Ａａｓｉｎ Ｉ】ｆＩｌ （９） 由于方位误差电压之差为 Ｕ１一Ｋ Ａａｃｏｓ ２一Ｋ Ａａｃｏｓ ｌ— Ｋ △＆（ＣＯＳ ２一ＣＯＳ １） （１０） 跟踪状态下，由于ＫＡａ是较小的值，一般小 于ｌ，所以 Ｕ１＜ＣＯＳ ２一ＣＯＳ ｌ （１１） Ｕ ＜２ｓｉｎ（ ）ｓｉｎ（ ）