波束方向探測技術的注入式仿真系統驗證

張曉愚，莫崇江，王衍琪，黃劍峰，張 云，張 檣

(北京環境特性研究所,北京 100854)

波束方向探測技術的注入式仿真系統驗證

張曉愚，莫崇江，王衍琪，黃劍峰，張 云，張 檣

(北京環境特性研究所,北京 100854)

這篇文章主要介紹采用功率探測儀方式的注入式仿真系統對波束方向地面探測試驗系統進行驗證的系統設計和軟、硬件控制與實現；通過向注入式仿真系統輸入模擬目標星在不同位置發射的信號功率，以及目標星在平臺坐標下的角度和位置信息，一方面確定地面探測試驗系統技術方案的可行性和檢測相關設備的性能，另一方面驗證對目標星發射天線主波束方向的探測是否滿足精度要求；通過仿真試驗證明該注入式仿真系統不僅使用方便、節約成本，而且通過控制相關儀器設備能夠準確記錄地面探測試驗系統對目標星仿真數據的計算信息，進而實現驗證。

注入式仿真系統; 波束方向; 地面探測;

0 引言

空間技術在經濟、軍事、科學、政治上具有重要意義，并廣泛應用于眾多領域，其發展之迅速已與個人生活息息相關，密不可分。與此同時，對空間目標的探測技術也提升到了前所未有的戰略高度。本文提出了對空間非合作目標主波束方向地面探測試驗進行驗證的注入式仿真方案。

主波束方向探測技術能夠實現在空間同步軌道對目標衛星與地面站通信鏈路的準確探測，在主波束探測系統上天前，必須建立地面試驗系統，驗證主波束方向探測關鍵技術方案的可行性，并對相關設備的性能進行檢測。本文提出的對空間目標主波束方向地面探測試驗進行驗證的注入式仿真方案采用功率探測儀方式，通過模擬目標星在不同位置發射的信號功率，以及目標星在平臺坐標下的角度和位置信息并注入功率探測儀，確定其對目標星發射天線的主波束方向的探測是否滿足精度要求。

1 注入式仿真系統原理和組成

1.1 注入式仿真系統原理

注入式仿真是一種半實物仿真，模擬產生真實的信號并注入到實際的系統中，產生所模擬態勢下設備所面臨的信號。具有試驗過程和環境可控、可仿真外場試驗受各種客觀條件限制無法實施的試驗性能，并且重復性好，能獲得更全面的試驗數據，可有效彌補外場試驗的上述不足。鑒于注入式仿真系統的優點，在不具備在暗室進行試驗的條件下，本文采用注入式仿真系統對目標星波束方向的地面探測技術進行驗證。

該注入式仿真系統將仿真的射頻信號不經天線輻射而直接通過電纜送入被測設備相關輸入點上，而且被測設備的天線特性也被同時模擬，系統根據目標天線的輻射方向圖，通過控制各通道射頻信號的幅度，模擬傳感器與目標天線相對位置發生改變時，傳感器接收到的功率變化，以實現傳感器搜索導向流程的功能檢驗和指標驗證。

該注入式仿真系統要實現對目標星發射信號功率的模擬，必須等效空間探測的實際情況。

1.1.1 最大功率分布等效

注入式仿真系統輸入到功率探測儀的功率最大值必須符合目標星天線輻射在平臺平面上的功率密度分布和空間損耗。其中，空間損耗按下式計算：

式中,D為距離，單位Km；f為發射頻率，單位MHz。

1.1.2 注入功率范圍等效

當主動雷達單脈沖測角使平臺運動到目標星下方時(以地球法線為參考0.05°范圍內)，這時需要找尋目標星天線的波束方向可能在±0.8°(目標星與地面基站連線為基準線)內任意方向。根據目標星天線方向圖，注入式仿真系統輸入到功率探測儀的功率變化范圍應當為±0.8°內主瓣幅值的變化范圍。

1.1.3 最小功率梯度等效

根據目標星天線口徑模擬天線主波束3 dB寬度內的功率分布，圖1為示意圖，尋找隨角度變化的最小功率步進，同時還需要考慮系統存在一定誤差，因此注入式仿真系統輸入到功率探測儀的最小功率梯度必須留有余量。

圖1 主波束示意圖

1.1.4 功率穩定度等效

功率探測儀因需較長時間的探測過程，因此需考慮探測過程中信號源和功放等儀器的功率穩定度，由于越接近波束方向中心功率梯度越小，忽略接收機的線性度，實際探測過程中只要發射功率穩定度不大于其中心功率梯度的變化，就能探測到與功率梯度變化相對應的波束方向。

1.2 注入式仿真系統組成

該注入式仿真系統采用功率探測儀方式，由信號發生器(數字和模擬)、功分器、步進衰減器、功率計、接口轉換模塊、控制計算機和控制軟件組成，與仿真評估計算機、功率探測儀共同構成目標波束方向探測地面技術驗證系統，其結構如圖2所示。

圖2 目標波束方向探測地面技術驗證系統

其中方框內各設備構成注入式仿真系統，各組成部分的功能和作用如下：

1)遙測碼信號放射器：輸出BPSK+PM調制信號，要求功率穩定。

2)數傳碼信號發生器：輸出QPSK調制信號，產生高速碼。

3)功率計：監測信號源輸出功率，并以其檢測值為基準對信號源輸出功率進行修正和閉環控制。

4)步進衰減器：衰減信號源輸出功率以滿足功率探測儀輸入功率的要求。

5)接口轉換模塊：實現CAN信號、串口422信號與網絡信號相互轉換的功能，起到仿真評估計算機與功率探測儀之間的通信中轉作用。

6)控制計算機：信號發射系統閉環控制以及與仿真評估計算機之間的通信。

2 控制軟件

2.1 控制軟件的功能

控制軟件位于控制計算機內，實現對注入式仿真系統參數配置，以及與仿真評估計算機、功率探測儀通信互聯。按照功能劃分，主要由系統控制及顯示模塊、通信控制及顯示模塊以及狀態標示模塊等組成。

具體可實現功能如下：

1)接收仿真評估計算機傳來的功率信息和位置姿態信息并顯示；

2)控制遙測碼信號發射器的功率及BPSK調制的相關參數，按0.05 s(可調)發送來自仿真評估計算機的功率信息列表，改變模擬信號源的功率值，同時記錄信號源功率改變過程；按照相應時序控制數控碼信號發射器、功率計，并顯示相應信息(功率讀數、線性曲線擬合等)；

3)控制數控碼信號發射器的功率及QPSK調制的相關參數，按0.05 s(可調)發送來自仿真評估計算機的功率信息列表，改變數字信號源的功率值，同時記錄信號源功率改變過程；

4)可根據功率計單獨對信號源(模擬和數字)輸出的功率提前進行修正。

5)中轉功率探測儀發送的功率信息和波束中心位置信息并顯示，其中控制計算機傳給功率探測儀的數據為0.05 s(可調)傳輸一個，功率探測儀傳給控制計算機的數據為0.4 s一個。

2.2 控制軟件的接口

控制軟件的接口包括控制計算機與仿真評估計算機、控制計算機與信號源，控制計算機與功率計，控制計算機與功率探測儀。

1)控制計算機與仿真評估計算機接口。

兩臺計算機通過網口連接，遵循TCP/IP協議，控制計算機接收每個位置功率值和位置姿態信息，同時向仿真評估計算機轉發功率探測儀傳回的功率值和位置信息。

2)控制計算機與功率探測儀接口。

控制計算機作為仿真評估計算機和功率探測儀的通信中轉站，通過接口轉換模塊實現仿真評估計算機和功率探測儀通信中轉，接口包括一個RS422串口和兩個CAN接口。

圖3 工作狀態示意圖

3)控制計算機與信號源及控制計算機與功率計的接口。

控制計算機與數字、模擬信號源及控制計算機與功率計的接口均為網口。由于數字、模擬信號源和功率計都是標注儀器，支持VISA標準協議。

2.3 控制軟件的時序

控制軟件的時序由系統響應時間決定，一是射頻信號發生時間，二是通信轉接延時。

1)射頻信號發生時間。

射頻信號發生時間主要包括接收仿真評估計算機功率值的延時和信號發生時間之和。因仿真評估計算機和控制計算機之間以及控制計算機與信號源之間用百兆網或千兆網通信，因此延時很短，花費時間也在微秒量級，可以忽略不計。因此射頻信號發生時間由信號源幅度穩定時間決定。

2)通信轉接延時。

仿真評估計算機和控制計算機之間通過網口通信，控制計算機通過接口轉換模塊實現仿真評估計算機和功率探測儀之間的通信中轉。因此通信轉接延時包括網口延時和串口轉換模塊通信延時。網口延時很小，在微秒量級，可忽略不計。RS422串口通信速率最大可達10 Mbps，CAN總線通信速率為1 Mbps，因此通信延時也較小，設計50 ms的響應周期完全可滿足要求。

2.4 控制軟件的設計

該控制軟件采用MVC三層模式，這是一種常見的面向對象設計模式，其結構如圖4所示。

圖4 MVC三層模式

其中，Model存儲系統中的數據；View用于界面顯示；Control處理Model中的數據，并將Model傳遞給View進行顯示。

2.4.1 Model層類結構設計

Model對象負責存儲系統中的數據，在本系統中，主要有一下幾類數據：

1)上游系統發送的消息(U_TO_CMessage)；

2)發送給上游系統的消息(C_TO_UMessage)；

3)發送給下游系統的消息(C_TO_DMessage)；

4)下游系統處理后的消息(D_TO_CMessage)；

5)發送給設備的消息(C_TO_DevMessage)；

6)設備回執的消息(Dev_TO_CMessage)。

Model層的類圖結果如圖5所示。

圖5 Model層類圖設計

所有Model都繼承自BaseModel，BaseModel定義了一些基本操作。主控程序與上下游系統通過TCP/IP協議進行通信，所有網絡消息都以字節流的形式傳輸。

2.4.2 Control層類圖設計

Control層負責整個主控系統的邏輯處理，需要實時地與上下游系統和標準設備進行交互，并將解析的數據傳遞給View界面進行展示。Control層類圖設計如圖6所示。

針對上下游系統和多臺標準設備，設計了特定的handler類，每個handler都有一個線程(Thread)，以便充分利用CPU資源和提高系統的響應時間。在處理過程中，各個Handler將中間結果都存儲到全局緩沖區(GlobalBuffer)中，實現數據共享。GlobalBuffer使用單例模式，采用隊列(Queue)結構存儲數據，對外提供線程安全的Push(將數據加入到隊列)和Pop(從隊列取數據)方法。

MainForm通過各handler對象與上下游系統和標準設備進行交互，接收和解析數據，并控制View界面控件進行展示。

2.4.3 View層界面設計

View層主要負責數據顯示，如文本、曲線等。為了將Control中處理的數據顯示到界面，使用了C 中的委托(delegate)和事件(Event)，采用異步編程的方式將數據發送給界面繪圖線程進行展示。

3 仿真驗證試驗

3.1 環境控制

1)按圖2將各設備連接，開機預熱至少90分鐘，測試控制計算機、仿真評估計算機、功率探測儀相互間通信是否正常。

2)室內空調打開，溫度設定為20°，待溫度恒定后30分鐘。

3)試驗操作人員盡量遠離仿真設備，以盡量避免人員走動引起震動產生的功率幅值變化。

3.2 自校

自校的目的是為了驗證遙測碼信號發生器和數傳碼信號發生器最終輸入到功率探測儀的功率步進精度是否滿足要求。自校過程可分為遙測碼信號輸入自校、數傳碼信號輸入自校以及兩種信號合路自校。

3.3 流程

1)仿真評估計算機初始化，得到隨機的目標星、探測平臺，目標星及天線極化狀態的初始姿態和位置，并根據姿態和位置給出探測平臺在探測過程中接收到的系列功率值。

2)控制計算機接收仿真評估計算機傳送的系列功率值，并按每0.05 s控制信號源功率順序改變。同時控制計算機每0.4 s接收一次仿真評估計算機給出的目標星、探測平臺，目標星及天線極化狀態的初始姿態和位置，并同步轉發給功率探測儀。

3)功率探測儀接收到位置、姿態及功率信息后，每0.4 s向控制計算機傳送一個功率和波束中心位置數據，并同步轉發給仿真評估計算機。

圖6 Control層類圖設計

圖7 注入式仿真系統控制軟件界面

4)仿真評估計算機判斷波束方向探測精度是否滿足要求。

在以上仿真過程中，可以通過打開或關閉數傳碼信號發生器，得到在有數傳信號干擾和無數傳信號時的仿真數據。

4 結論

經仿真驗證試驗，可得出以下結論：

1)注入式仿真系統使用簡單方便，比暗室等采用其他手段的驗證系統造價低廉。

2)通過控制信號源(模擬和數字)和功率計及其他設備，可以準確獲取和記錄功率探測儀反饋的數據信息。

3)可與仿真計算機注入的目標星模擬數據信息進行清晰的比對，實現驗證的目的。

圖7是注入式仿真系統的控制軟件界面。從控制界面上可以清晰準確的對比仿真計算機模擬的目標星數據和功率探測儀進行計算和處理的反饋數據。

作為驗證波束方向地面探測試驗系統的半實物仿真系統，該注入式仿真系統不僅確定地面探測試驗系統技術方案可行，而且為主波束探測系統上天正常運行、正確工作提供了保證。

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[3]閔桂榮. 世界空間技術發展趨勢[A]. 中國科協學術年會特邀報告文集[C]. 2000

Injection Simulation System Test of Beam Direction Detecting Technology

Zhang Xiaoyu, Mo Chongjiang, Wang Yanqi, Huang Jianfeng, Zhang Yun, Zhang Qiang

(Beijing Institute of Environmental Feature, Beijing 100854，China)

It describes the system design and software and hardware control and realization of a ground-based beam direction detecting system which is verified through injection simulation system by using power detector in this article. Through inputting simulated power signal from different satellite positions, and angle and position information of target satellite in the platform coordinates system into the injection simulation system, on one hand the ground-based detecting system technical solution feasibility can be defined and relevant detecting devices tested, on the other hand it can verify whether the detection capability against target satellite transmission antenna main lobe can meet the accuracy requirement. The simulation test results have proved the facts that the injection simulation system is easy for operation and cost effective, and through controlling relevant devices can it also record accurately the calculation information on target satellite simulation data which is carried out by the ground-based detecting system.

injection simulation system; beam direction; ground-based detecting

2016-06-16；

2016-08-17。

張曉愚(1980-)，女，上海人，高級工程師，碩士研究生，主要從事雷達系統主控的研究和工程應用方向的研究。

1671-4598(2017)01-0213-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.059

TP311.1

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