多RṘ测速系统的全相参体制优化设计

于智春

（91550部队92分队）

多RṘ测速系统的全相参体制优化设计

于智春

（91550部队92分队）

简要介绍了航空飞行器测量需求和多R外测系统技术特点，详细分析了构成多R系统的测量体制，完成了各体制方案的测速精度分析，提出基于三通道独立锁相转发方案的多R系统优化策略。理论分析和工程实践表明，改进后的测量系统测速精度将得到提高、并可克服现有系统主副通道相互干扰的问题。

多R外测系统；高精度；测量体制

1 航空测量需求

飞行器测量的基本职能决定了其必须通过自身的不断升级、发展，以适应试验型号的鉴定需求。以某航空飞行试验为例，其测速精度要求达到了厘米级，与之相适应的多R系统径向测速精度达亚厘米级。可以预见，在未来的武器型号试验中，测速精度要求将更高，对应的测量系统也必须在测速精度上有所突破，以满足新的鉴定需求。

转发后，多普勒频率也转化

对于相干转发，由于上行单向多普勒频率经相干转发比倍，所以上行/下行综合多普勒为下行单向多普勒的2倍，即故目标径向速度为

式中：ft为地面发射频率，c为光速。

依据通用速度解算公式，速度计算为：

比较公式（1）和公式（2）两种应答机工作体制下的测速解算过程，锁相转发体制的测速影响因子为 ft、fd、c，混频转发体制的测速影响因子为上述影响因子除光速c为常值量外，其他都是在地面站测得，因此从理论上3种方案都可获取较高的测速精度。但是考虑到混频转发方案需要完成主副载波的联合测量，而在多通道条件下，尤其是在基带设备普遍数字化的技术条件下，接收机带宽较调制转发方式要大数倍（依据副站数量而定），所以混频转发方式测速精度较调制转发方式要差。

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图1 某多R系统应答机原理框图

该应答机为三通道应答体制，包括一个主通道、两个副通道。其中，主通道采用了中频锁相转发工作方式，两个副通道采用了中频调制转发方式。依据上述多R系统工作体制分析，三个通道均实现了相干测速，其中，主通道测速精度优于副通道，这与靶场多年的飞行试验得出的结论是一致的。但是依据图1所示，该应答机也存在一个突出问题：即在应答机接收到主站发送的fR1时，下行信号为以fR1为主载波，fR2、fR3为调制边带的下行信号；当应答机未收到fR1时，应答机信道输出信号是以一固定频率（VCO固定频率并通过N3倍频输出）为主载波，fR2、fR3为调制边带的下行信号。由此，当主站由于某种原因导致上行信号中断时，必然会造成应答机瞬间由主站上行信号向固定载频切换，副站接收机中就会出现接收信号瞬间切换的问题，即该应答机工作模式导致地面接收站存在明显的主副站干扰问题。

4.1 应答机方案

图2 多R外测系统应答机优化后原理框图

图3 全相参模块化应答机构成框图

该应答机发射通道是设计的关键，根据工程经验和现有技术条件，可以采用三路上变频通道独立，共用一路功率放大输出，这种方案既减少一定的非线性环节，功耗也在可接收的范围内。同时改进后的应答机由于通道独立，可避免多R系统应答机现有的主副站干扰问题。

4.2 可行性

鉴于研制初期的数字化技术水平限制，应答机采用了模拟电路设计，随着科技水平的不断提升，在现有技术条件下，采用数字化技术完成某部多R系统应答机的设计已经具备了成熟条件。由于应答机采用模拟相参转发方式，在测速精度分析方面，一般将飞行器上应答机视为一宽带系统，其对系统测速精度的影响很小。而采用三路全相参转发方式后，从降低工程设计难度、提高指标稳定性的角度出发，应答机采用了数字相参转发方式。应答机在工程实现上，采用的是一种以非相参无限逼近的方式来实现相参转发的设计方法，需要对采用该体制带来的设备误差进行分析。

应答机等效频率流程模型如下：

图4 应答机等效频率流程模型

式中，FT为应答机转发频率，FR为应答机接收频率，M、N为上下变频等效倍频次数。

则应答机接收中频频率FIR可由下式表示FIR=FR-MF0

由图4可得：

此时的应答机接收信号可用下式来表示：

其中，A为接收信号幅度；ωR为载波角频率；θR(t)为由于噪声或干扰影响导致的瞬时相位变化。

设频率源基准频率为ω0,瞬态相位为θ0(t)，则接收本振频率与发射本振信号可表示如下：

进入基带处理的中频接收信号为：

当中频数字锁相环完成锁定后，经转发产生的中频输出信号为：

其中，εθ为锁相环同步相位差。

再经上混频后输出的发射信号为：

即应答机的转发输出信号中，除了完成了对上行信号的相参转发，还存在相位误差，可表示如下：

由此产生的频率误差为：

从上式我们可以看出，应答机频率流程方案中，由应答机体制所引起的频率误差主要取决于应答机内频率源在接收下变频与发射上变频不同时刻的瞬时相位差。而该指标又反映了频标源的短稳能力。由于锁相环路在进入跟踪锁定状态后，对信号的时延主要受中频信号带宽的影响，一般在1us以下，在该时间段内，频标源的短稳函数具有强烈的自相关特性，短稳影响基本可忽略不计。

就现有产品指标以及测试数据来看，较好的恒温晶振在10ms间隔采样下的短稳指标一般已可做到1×10-11数量级以上，在振动条件下按短稳指标恶化一个数量级计算,以100MHz频标源为例，所引入的频率误差在0.01Hz以下，采用更高频段工作频率，将使系统精度足以满足系统测量需要。而在实际应用中，收发采样间隔时间远小于10ms，能获得的短稳指标也更高。

4.3 测速精度

采用图3、图4所示的应答机改进方案，地面某连续波雷达需要完成上下行共用本振的改造，设备改造量不大。同时由于该方案实现了三个通道的独立转发，因此地面站接收通道带宽可以由现38MHz减小到5MHz以下，带宽压缩了7倍以上，同时接收机也只需完成主载波的接收解调，设备复杂程度显著降低。依据前述分析，改进后的测速公式与公式（1）相同，精度影响因子为 ft、fd、c，因此地面三站与现有连续波雷达主站测速精度相同。同时考虑到带宽压缩了7倍以上，信噪比也因此提高了7倍，参照接收机热噪声对测速随机误差的影响公式（3），接收机热噪声引起的测速随机误差将改善2倍以上。

5 结论

[1]刘嘉兴．飞行器测控与信息传输技术[M]．北京：国防工业出版社，2011．

[2]李增有．新型三信道锁相转发应答机及其在靶场中的应用[J]．靶场试验与管理，2005(5)．

[3]赵业福，李进华．无线电跟踪测量系统[M]．北京：国防工业出版社，2001．

Coherent System Optimization Design of MultiRVelocity Measurement System

Yu Zhichun
(Unit 92,No.91550Army Force)

This paper introduces the aircraft measurement requirements and the characteristics of multiRouter measuring system,analyzes the measurement system in detail,analyzes the precision of velocity measurement for each system,puts forward the multiRsystem optimization strategy based on three-channel independent phase locked forwarding scheme.The theoretical analysis and engineering practice show that the measurement precision of the improved measurement system will increase,and can overcome the interference of the main and auxiliary channels in existing system.

multiRouter measuring system;high precision;measurement system

V243

A

1008-6609(2016)12-0073-03

于智春（1977-），女，辽宁凤城人，硕士，高级工程师，研究方向为测控总体技术。