基于外辐射源照射的弹体滚转角测量技术

尚 煜，张江华

(西安电子工程研究所总体3部，陕西西安 710100)

弹道修正弹药由于其能使常规弹药在现有发射条件下，大幅提高打击精度，因此具有精度高、低成本、高作战效能的特点。而在弹道修正系统中，确定弹药飞行的姿态及方位信息，是实现弹道修正的重要条件［1］。目前，国内外研究中主要通过弹载陀螺仪来输出姿态信息［2］。由于多数低成本的脉冲发动机、鸭舵等控制机制的智能弹药具有滚转飞行的特点，而滚转弹药在飞行中俯仰、航向角速率较小、滚转角速率较大、通常超出低成本陀螺仪的量程，故导致弹载陀螺仪输出角误差迅速积累增大。当弹体受到冲击振动时，陀螺仪输出会随之突跳，亦导致滚转误差增大。文献［3～4］中提出使用磁强计辅助修正惯性器件输出，抑制了陀螺仪飘移误差积累，改善了滚转角测量精度，但需新增设备磁强计，对于弹体空间较小的滚转弹药平台存在一定困难。

磁强计所测量之地磁场强度较弱，易受外界、载体电机磁场干扰，当存在干扰磁场时，磁强计数据反而会使姿态解算产生较大误差［5］，且当弹轴与地磁矢量近似平行的时候，会产生奇异点输出，存在无法进行姿态解算的缺点。针对此问题，文中提出一种利用接收外辐射源信号功率随弹体天线滚转发生周期变化，进而反映出弹体滚转运动的测量方法，将所得转速转角结合通过数据链获得的地面火控雷达测量之弹体相对于外辐射源的视线角计算出弹体滚转角。该方法无需额外增加弹上设备，在原有弹体天线的基础上增加了弹体转速转角测量功能，能实时测量平台的转速、转角。由于该方法所测滚转角误差不随时间积累，且无需在空间非常有限的弹体内安装磁强计，为低成本滚转弹药姿态测量提供了一种新思路。文中外辐射源可以是半主动弹道修正系统中的火控雷达，或专门架设的照射机。

1 基于外辐射源照射测量滚转角原理

架设于地面的外辐射源向飞行中的弹丸辐射射频信号，弹丸发射后沿着设计方向旋转飞行，弹体上安装天线随着弹体一起旋转。旋转对接收到的外辐射源信号造成了一种幅度调制，这种可检测的幅度调制与弹体旋转具有相同的调制速度。

如图1所示，当弹体接收天线对准外辐射源方向时，其射频信号功率最大，而接收天线与该外辐射源成一定角度时，射频信号功率将降低，且降低幅度与天线与外辐射源视线角夹角相关。因此，当接收天线随弹丸一起滚转时，除去背对外辐射源的180°区间内只能接收到噪声外，面向外辐射源的上半周射频功率随弹丸滚转呈正弦波变化。由于该波形为弹体旋转对外辐射源信号的幅度调制的产物，因此其中包含的频率信息即为弹体转速，相位信息即为弹体滚转角。

图1 弹体旋转示意图

基于此现象，本文提出一种基与外辐射源照射的滚转角测量方法，利用低通滤波器、锁相环(PLL)提取弹体天线接收幅度波形中频率、相位信息。从而得到弹体转速、滚转角。图2为基于外辐射源照射测量弹体滚转角原理框图。

图2 基于外辐射源照射测量弹体滚转角原理框图

由于射频信号频率较高，不利于数据处理与存储，故将射频信号下变频至基带信号，再以1 MHz数据率进行采样后的幅度变化波形作为研究对象。该波形由弹体旋转对外辐射源信号进行幅度调制而产生，随弹体滚转发生周期性变化，其中包含的频率相位信息即为弹体转速转角信息。因旋转调制的转速远低于载波频率，故将该波形输入低通滤波器，即可去除其中包含的噪声，提取出位于低频的滚转调制信息，得到一个不规则的正弦波，去除其中直流成分后输入锁相环中进行锁频锁相。文中使用的锁相环(PLL)是一种自动相位反馈控制电路，用于产生一个与外来输入信号相位锁定的内部信号，可以实现频率、相位的跟踪和滤波［6］。图3为锁相环基本原理框图。

输入信号为

其中，D(t)表示由于上述提取过程所引起的输入信号幅度变化;ωc为输入信号角频率;θ为输入信号相位;n为随机噪声。图中压控振荡器需预先设定产生一个与输入信号角频率接近的ωc，相位为θo的本地载波，该波分为两路，一路直与输入信号同相，一路通过90°相移与输入信号正交，分别表达为

图3 IQ解调法锁相环

两路信号分别与输入信号相乘

其中，2ωc为输入信号的2倍频，经低通滤波滤除后

输入鉴相器，求反正切函数即可得到本地产生载波与输入信号相差Δθ。

Δθ通过合适的环路滤波器系数K修正后产生控制电压改变压控振荡器产生的本地载波的频率与相位。为使压控振荡器工作在线性范围，避免出现振荡现象，故每帧调整的相位应控制在±π/2之内，若每帧长度为N个采样点，即N·K/fs≤π/2，有

最终使稳态误差减小到最小数值，此时压控振荡器输出的 uos(t)=sin(ωot+θo)即为所需的同相载波［6］。文中，每帧长度N为100，即每100 ms锁相环调整一次输出波形相位。由锁相环跟踪获取的本地载波是外辐射源幅度变化波形的同相标准正弦波，具备与原始包络一致的频率与相位信息。因此，该标准正弦波的频率即为弹体转速，相位即为弹体相对外辐射源的滚转角。锁相环进入稳态后输出转速和滚转角，再结合通过数据链获得地面火控雷达测算弹丸相对外辐射源视线角即可计算出弹体滚转角。

2 半物理实验与仿真分析

根据上述设计方案，进行了基于外辐射源照射的滚转角测量半物理实验。实验由外辐射源、弹载共形天线、射频模块、转台、数据采集板、数据采集器和计算机组成。弹载共形天线安装在转台上以一定转速旋转，接收外辐射源射频信号;射频模块将弹载共形天线接收射频信号转换到中频;中频信号送入数据采集板;数据采集板将模拟信号进行A/D采样，通过FPGA对数据进行控制并通过光纤接口送给光纤数据采集器;计算机通过网口将光纤数据采集器中的数据导入到计算机;通过Matlab对采集的信号进行处理，解算出幅度信息后，送给低通滤波器模块，接着将数据送给锁频锁相模块，再结合弹体与外辐射源视线角信息，解算出弹体转速转角。

图4 半物理实验结果

图4为半物理实验结果图。由于转台性能限制，实测数据没有取得滚转角真值，不便对解算误差进行考察。故本文中使用截取了20°～160°之间的正弦波用以仿真滚转时天线面向外辐射源时波形幅度的变化，同时加入高斯白噪声仿真天线接收噪声。该仿真弹体接收信号频率为2 Hz，加入0.1 Hz的转速随机扰动。按上述方法解算弹体转速、滚转角，仿真结果如图5所示。

图5 仿真实验结果

图5为仿真实验中弹体转速为2 Hz时，解算所得滚转角、转速误差。由图5可知，锁相环需10 s时间进入稳态跟踪，前10 s内相位和频率在真值附近呈震荡变化。锁相环震荡时间与稳态噪声大小取决于式(6)中确定的环路滤波系数K［8］，本实验中通过遍历法得到兼顾动态性能与低噪声的环路滤波器系数。进入稳态跟踪后，锁相环输出转速误差均值为0.027 Hz，输出滚转角误差均值为1.592°，且锁相环进入稳态后转速、滚转角误差均不随时间积累。

3 结束语

滚转弹药的姿态测量是实施弹道修正的重要条件，由于滚转弹药多为低成本平台，限制了弹载高精度陀螺仪使用，而磁强计测滚转角存在易受干扰，以及使用地域限制的问题。本文提出了一种基于外辐射源照射的滚转角测量方法。利用弹体旋转对外辐射源射频信号的旋转调制，通过低通滤波、锁频锁相提取出其中的频率、相位信息，结合弹体相对外辐射源视线角解算出弹体转速和滚转角。该方法具有体积小、功耗低、误差不随时间积累、耐高过载和不需安装额外设备等优势。对于低速滚转弹药平台，本文提出的滚转角解算方法可以满足要求。

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