Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Метод измерения угловых ошибок пеленга в системе «антенна - обтекатель» в области сканирования луча ФАР

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2019-2-7-24

Полный текст:

Аннотация

Представлен способ измерения угловых ошибок пеленга в системе антенна - обтекатель в двумерной угловой области сканирования антенны (фазированной антенной решетки, активной фазированной антенной решетки) с электронным управлением лучом. Измерения проводились на базе антенного измерительного коллиматорного комплекса («компактный полигон»). Приведены математические выражения, используемые при обработке полученных данных. Для создания матрицы угловых ошибок пеленга измерения осуществляются на различных углах крена системы антенна - обтекатель при отклонении луча фазированной антенной решетки в косых плоскостях. Для отработки методики на начальном этапе использовалась быстросъемная модель обтекателя, обладающая способностью вносить угловые ошибки пеленга

Для цитирования:


Макушкин И.Е., Дорофеев А.Е., Грибанов А.Н., Гаврилова С.Е., Синани А.И. Метод измерения угловых ошибок пеленга в системе «антенна - обтекатель» в области сканирования луча ФАР. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(2):7-24. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2019-2-7-24

For citation:


Makushkin I.E., Dorofeev A.E., Gribanov A.N., Gavrilova S.E., Sinani A.I. A method for measuring angular bearing errors in the “antenna - radome” system in the phased-array beam scanning region. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2019;(2):7-24. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2019-2-7-24

Введение

Возникающие при наличии радиопрозрачного обтекателя (РПО) ошибки определения угло­вого положения пеленга (угловые ошибки пеленга, УОП) [1] должны учитываться при работе бортовой радиолокационной станции (БРЛС) [2]. Работы по измерению УОП только в двух ортогональных плоскостях азимута или угла места проводятся довольно часто [3, 4]. При этом УОП определяется как разность меж­ду измеренными координатами нулей соответ­ствующей разностной диаграммы направлен­ности (ДН) до и после установки обтекателя (метод разности). Такой подход дает представ­ление только об одной из компонент УОП. Произвольно отклоненный луч фазированной антенной решетки (ФАР) в системе антенна - обтекатель приобретает угловые ошибки пе­ленга сразу по обеим координатам (рис. 1) [1]. Поэтому разработка методов практической оценки влияния обтекателя на уходы «нулей» пеленгационных характеристик во всей обла­сти сканирования луча является сегодня акту­альной задачей.

 

Рис. 1. Произвольно отклоненные лучи фазированной антенной решетки (ФАР) в системе антенна - обтекатель: 1 - нормаль к апертуре; 2 - возможные положения установки луча ФАР; 3 - апертура ФАР; 4 - конус сканирова­ния ФАР; 5 - поверхность РПО

 

Геометрия задачи для одного сечения поверхности РПО

На рис. 2 представлена ФАР (поз. 1), центр апертуры (поз. 2) которой связан одновременно со сферической (θ, Ψ) и декартовой (X, Y, Z) системами координат. До установки РПО (поз. 10) опорно-поворотное устройство ан­тенны (ОПУА) устанавливается на произволь­ный угол крена Ψj- (поз. 5). При произвольно выбранном пространственном угле отклоне­ния θi– (поз. 7) от нормали к раскрыву антен­ны (поз. 8) управляющие углы Lx и Ly (поз. 3 и 4) между соответствующими осями X, Y и направлением установки луча (поз. 6), рас­считываются по формулам

cos Lx = sin θi cos Ψj;                                      (1)

cos Ly = sin θsin Ψj,                                         (2)

а углы фазирования решетки, пересылаемые в блок управления лучом ФАР (αх; αy) из вы­числителя БРЛС, по формулам

αх = 90 - Lx;                                                      (3)

αу = 90 - Ly.                                                       (4)

 

Рис. 2. Геометрическое представление задачи по определению компонент УОП:

1 - ФАР; 2 - центр апертуры ФАР; 3, 4 - управляющие углы Lx и Ly; 5 - Ψ,· произвольный угол крена ФАР; 6 - произволь­ное направление установки луча ФАР; 7 - угол 0,- между нормалью к раскрыву и направлением установки луча ФАР; 8 - нормаль к раскрыву ФАР (луч, установленный по нормали, имеет 0,· = 0); 9, 10 - ось и образующие поверхно­сти РПО; 11 - азимутальная ось вращения ФАР, установленной на ОПУА; 12 - плоскость установки луча ФАР; 13 - дискретные точки установки луча ФАР; 14 - плоскость азимутального поворота ОПУА; 15 - линия сечения на поверхности РПО, по которой проводится измерение компонент УОП

 

При таком расчете углов фазирования αх, αу и неизменном угле крена системы Ψj любой выбранный из возможного для данной ФАР угол отклонения луча от нормали θi бу­дет устанавливать луч в плоскость (поз. 12), совпадающую с плоскостью азимутального поворота ОПУА (поз. 14). Если при этом ази­мутальная платформа ОПУА с тестируемой ФАР развернута на угол (−θi), то нормаль к плоскому падающему на раскрыв ФАР фрон­ту электромагнитной волны в дальней зоне (в данном случае в рабочей зоне коллиматора) совпадает с направлением установки луча. При наличии у тестируемой ФАР выходов обоих разностных каналов (Аз и Ум) путем незначи­тельного поворота ОПУА по оси его азимута (поз. 11) в области угла (−θi) одновременно могут быть измерены координаты минимумов сечений обеих разностных диаграмм. Математический аппарат вычисления угловых ошибок пеленга Известно, что линии нулевых уровней про­странственных ДН разностных каналов пло­ских ФАР отображаются в системе координат направляющих (управляющих) косинусов (u, v) прямыми линиями вдоль осей и или v. На рис. 3 представлены пространственные ДН разност­ных каналов.

 

Рис. 3. Пространственная разностная азимутальная (а) и угломестная (б) ДН на плоскости (u, v)

 

На рис. 4 картографическими линиями сечений схематично изображены простран­ственные разностные ДН (Аз - зеленые ли­нии сечений, Ум - красные) в системе коорди­нат направляющих (управляющих) косинусов U = cos Lx, V = cos Ly. Lx и Ly - определенные ранее управляющие углы для ФАР, установ­ленной на угол крена Ψ. Тогда в системе координат направляющих косинусов возможная область отстроек луча ФАР будет ограничена единичной окружностью, а координаты его установки на этой плоскости будут полно­стью определены углом отклонения луча ФАР от нормали к раскрыву θ0 и углом установки ФАР по крену Ψ. На плоскости (U, V) можно выделить две характерные точки.

 

Рис. 4. Линии сечений пространственных разностных ДН (Аз - зеленые линии сечений, Ум - красные линии сечений) в системе координат направляющих (управля­ющих) косинусов U = cosLx, V = cosLy для ФАР, уста­новленной на угол крена Ψ

 

В точке 1 до установки РПО луч ФАР, согласно формулам (1)-(4), устанавливается по сферическим координатам θ0, Ψ и соот­ветствует точному пеленгу на направление прихода плоского фронта электромагнитной волны от «цели» (в данном случае от коллима­тора измерительного комплекса). На плоскости управляющих косинусов это точка с координа­там (u0, V0) При этом пересечение линий ну­левых уровней пространственных разностных ДН, формируемых тестируемой ФАР, происхо­дит в точке 1. Это означает совпадение коор­динат минимумов одновременно измеряемых по каналам Аз и Ум сечений разностных ДН (рис. 5, а), при которых θα = θу и совпадают с углом отклонения луча θ0.

В точке 2 после установки РПО луч ФАР по прежнему установлен по сферическим ко­ординатам θ0, Ψ на направление прихода плоского фронта электромагнитной волны от цели. Однако из-за преломления в РПО теперь направление прихода плоского фронта элек­тромагнитной волны уже не соответствует первоначально установленному пеленгу. Та­ким образом, точка 2 (как одна из возможных точек) с координатами (U1, V1) соответствует изменившемуся направлению пеленга, вы­званному установкой РПО. Пересечение линий нулевых уровней пространственных разност­ных ДН, формируемых тестируемой системой ФАР - РПО, происходит в точке 2. Поскольку система ФАР - РПО по-прежнему сфазирована по координатам θ0, Ψ, то фактически измеряемые минимумы сечений обеих про­странственных разностных ДН и определяе­мые концом вектора sin θα и sin θу будут за­фиксированы на углах θα и θу соответственно. При этом фиксируемые углы измеренных ми­нимумов θα и θу не равны и не совпадают с θo (рис. 5, б).

 

Рис. 5. Снимки экрана монитора измерительного комплекса при точно установленном пеленге на источник сиг­нала (а) и отсутствии такового (б)

 

На плоскости направляющих косинусов координаты точки 1 -U0 = cos Lx, V0 = cos Ly, а в переменных сферической системы коор­динат выражаются приводимыми ранее формулами (1) и (2). Измерив методом механи­ческого азимутального сканирования ОПУА в окрестности точки (-θο) изменившиеся после установки РПО углы θα и θу (угол начальной установки θο и Ψ известны) и учитывая, что

u1 = u0 + du;                                                      (5)

du = (sin θ0 - sin θα )cos Ψ;                                 (6)

V1 = v0 + dv;                                                     (7)

dv = (sin θу - sin θ0 )sin Ψ,                                 (8)

по формулам (6), (8) рассчитываем du, dv, а по (5), (7) - u, V1.

Принимая во внимание, что

Lхo = arccos u0;                 (9)

Lx1 = arccos u1;                (10)

Lyo = arccos v0;                (11)

Ly1 = arccos V1,                (12)

из соотношений (3) и (4) определяем прираще­ние компоненты Δαх к углу начального фази­рования тестируемой ФАР по координате αх, вызванное установкой на ФАР РПО, как

Δαх = Lx1 - Lхo.                                               (13)

А приращение компоненты Δαy к углу на­чального фазирования тестируемой ФАР по координате αy, вызванное установкой на ФАР РПО, как

Δαy = Ly1 - Ly0.                                               (14)

Фактически Δαх и Δαy и есть искомые ошибки пеленга для одного элемента матрицы УОП, рассчитанные для положения установки луча ФАР с пространственными сферически­ми координатами (θ0, Ψ) что соответствует координатам фазирования решетки αх и αy. Эти данные передаются из вычислителя БРЛС в блок управления лучом ФАР при каждом так­те перестройки луча.

Проводя с (1) - (14) необходимые подста­новки и дальнейшие преобразования, можно получить более общий вид выражений для Δαх, Δαy как функцию от произвольных (до­пустимых для тестируемой ФАР) сферических координат установки системы θ, Ψj.

В этом случае сами компоненты Δαxi, j, j, Δαyi, j пеленгационной ошибки, вносимые РПО, при углах установки системы антенна - обтекатель θ0 = θ, Ψ = Ψj в переменных сферической системы координат антенны мо­гут быть рассчитаны по формулам

где Δαxi, j - составляющая пеленгационной ошибки, вносимой обтекателем, по углу αх (при θ = θοί, Ψ = Ψ;);

θαί - измеренный фактический угол ми­нимума сечения разностной пространствен­ной азимутальной диаграммы (при θ = θ, Ψ = Ψ j) после установки обтекателя;

Ψj - текущее значение угла крена ан­тенной системы относительно горизонталь­ной плоскости азимутального сканирования ОПУА;

θ - текущее значение угла θ0 в сфериче­ской системе координат ФАР между нормалью к раскрыву ФАР и направлением на минимум, формируемый пространственными разностны­ми ДН, до установки обтекателя, при котором измеряемые минимумы в сечениях разностных ДН совпадают;

Δαyi,j - составляющая пеленгационной ошибки, вносимой обтекателем, по углу αу (при θ = θoi; Ψ = Ψj);

θyi - измеренный фактический угол ми­нимума сечения разностной пространственной угломестной диаграммы (при θ = θ; Ψ = Ψj) после установки обтекателя.

Следует еще раз подчеркнуть, что речь идет о вычисляемых ошибках в системе коор­динат углов фазирования ФА (αх, αy) Хотя полученные ошибки могут быть пересчитаны и в другие системы координат, например но­сителя, для их последующей компенсации в каналах пеленга БРЛС этот вид их выражения представляется наиболее удачным.

Если предположить, что начальная уста­новка ФАР на ОПУА такова, что имеет место совпадение плоскостей установки луча (поз. 12, см. рис. 2) плоскости азимутального поворота ОПУА (поз. 14) с горизонтальной, то в точках (поз. 13) происходит пересечение линий мини­мальных уровней пространственных разностных диаграмм, формируемых ФАР (т. е. выполняется условие θαί = θyi). На снимке экрана монитора измерительного комплекса (см. рис. 5, а) это вы­глядит как совпадение координат минимумов измеряемых сечений обеих разностных ДН. После установки РПО на антенну на тех же уг­лах измеряются новые (рис. 5, б), изменивши­еся координаты минимумов сечений разност­ных ДН θαί и θyi. В этом случае предложенная математическая модель работает, а по величи­нам и знакам отклонений θαί и θ yi от изначаль­ного θοί, где имело место выполнение условия θαί = θyi, по формулам (15) - (16) определяют компоненты пеленгационной ошибки Δαxi,j и Δαyi,j. Это означает, что в точках (поз. 13) они могут быть рассчитаны. При этом линии се­чения (поз. 15) поверхности РПО плоскостью установки луча ФАР (поз. 12), на которой ле­жат эти точки, определит одну из строк общей матрицы УОП.

Геометрия задачи для набора сечений по всей поверхности РПО

В дальнейшем подобные измерения могут быть проведены по всей поверхности РПО, т. е. при всех возможных дискретных установках системы ФАР - РПО по углам крена Ψ j и углам отклонения луча θοί. Тем самым могут быть получены набор строк и, соответствен­но, матрица компонент УОП для РПО произ­вольной формы. Так, например, в рассматри­ваемом случае (см. рис. 2) ось РПО (поз. 9) не совпадает с нормалью к раскрыву ФАР (поз. 7). На рис. 6 изображена сложная поверхность произвольного РПО, попадающая в область сканирования луча ФАР. Линии сечений его поверхности и точки на них, по которым проводятся измерения (Δαxi,j и Δαyi,j) компонент УОП, показаны разными цветами (см. рис. 6). Принцип электронной компенсации положения начальной установки луча ФАР при измерении УОП Ранее говорилось, что для дальнейших кор­ректных измерений УОП, вносимых РПО, до его установки должен быть взят точный пеленг тестируемой ФАР на плоский фронт приходящей электромагнитной волны. Только в этом случае измеренные минимумы сечений пространственных разностных ДН совпадают и можно вести расчеты по предлагаемой ме­тодике. Причем условие это должно выпол­няться в любой доступной к измерению по данной методике точке, т. е. при любых воз­можных θ0 = θoi, Ψ = Ψj.

 

Рис. 6. Линии сечений поверхности РПО произвольной формы и точки на них, по которым проводятся измерения компонент УОП

 

На рис. 7 схематично изображено ОПУА, подобное тому, которое применялось в изме­рениях. Представлены два простейших случая, когда из-за ошибок начальной установки ФАР по крену (Δψ) или по углу отклонения (ΔΘ) плоскость азимутального поворота не совпа­дает с плоскостью истинного горизонта.

 

Рис. 7. Схематическое изображение ОПУА, применяемое в измерениях:

1 - горизонтальная (юстируемая) платформа ОПУА; 2 - регулируемая подъемная опора горизонтальной плат­формы ОПУА; 3 - азимутальная поворотная платформа ОПУА с элементами конструкции вертикальных опор; 4 - ось азимутального поворота; 5 - ось поворота тестируемой ФАР по крену; 6 - ось поворота тестируемой ФАР в угломестной плоскости; 7 - плоскость раскрыва тестируемой ФАР; 8 - нормаль к плоскости раскрыва тестируе­мой ФАР; 9 - рассогласования по углу крена Δψ; 10 - рассогласования по углу отклонения луча Δθ; 11 - условные вертикальные плоскости, равноудаленные от фазового центра тестируемой ФАР; 12 - условная плоскость азиму­тального поворота ОПУА с тестируемой ФАР для случая Δψ = 0, Δθ ≠ 0 (синяя линия); 13 - условная истинная горизонтальная плоскость (выделена зеленым контуром); 14 - условная плоскость азимутального поворота ОПУА с тестируемой ФАР для случая Δψ ф 0, Δθ = 0 (красная линия)

 

В самом общем случае реальная пло­скость азимутального поворота ОПУА на рис. 7 и жестко связанной с ней ФАР может занимать еще более сложное произвольное простран­ственное положение. При этом рассчитанные по формулам (3), (4) угловые координаты αxi,j и αyi,j, по которым фазируется решетка, не уста­навливают ее луч точно по пеленгу на плоский фронт приходящей электромагнитной волны от цели (коллиматора). Условие θα = θy в таких точ­ках не выполняется, и это означает, что если в дальнейшем УОП рассчитывать относительно этих координат, ошибка будет недопустимой.

В отдельных исключительных случа­ях изначальной механической юстировкой ОПУА комплекса с установленной на нем ФАР в какой-то из точек установки системы можно привести реальную плоскость азимутального поворота к условной плоскости «истинного» го­ризонта. Этого можно добиться, например, ре­гулируя опоры станины ОПУА (поз. 2 на рис. 7). Но опыт практических измерений и их гро­мадный потенциальный объем показывают, что это абсолютно бесперспективный путь. Добиться правильной начальной установки при любых возможных θo = θ, Ψ = Ψj физи­чески не представляется возможным. Именно по этой причине для практической реализации предлагаемого метода измерения УОП в ос­нову его положен принцип электронной ком­пенсации начальной установки луча ФАР при измерении УОП (до установки РПО).

Для компенсации ошибок начальной установки луча ФАР по пеленгу на плоский фронт падающей электромагнитной волны предложен вычислительный способ. Суть его заключается в первоначальной компенсации ошибки установки луча ФАР, сфазированной по координатам θo = θοί, Ψ = Ψj с помощью самой ФАР. Для этого точно так же, как в са­мом описываемом методе измерения УОП, предлагается измерять начальное разбегание θa и θy и по формулам (15), (16) рассчитать добавки ∆αxi, j комп и ∆αyi, j комп с той лишь разницей, что, взятые с соответствующим знаком и добавленные к изначальным координатам фазирования αxi, j нач и αyi, j нач (при углах уста­новки луча θο = θoi, Ψ = Ψj), они будут играть роль компенсирующих и должны приводить систему в точку, где условие θα = θy уже вы­полняется. Если подобная процедура компен­сации будет проведена по всем точкам массива, предполагаемого в дальнейшем к измерениям УОП, то можно сказать, что после установки РПО и проведения измерений УОП по точкам, где компенсация проведена, рассчитываемые Δαxi j и Δαyi j действительно есть ошибки пе­ленга, вносимые непосредственно РПО. По этой причине в дальнейшем данный метод определения компонент УОП будет называть­ся методом компенсации. На рис. 8 приведены данные практических измерений θa и θy (до установки РПО) по сигналам двух разностных каналов при первоначальной установке тести­руемой ФАР по крену Ψ = 60° и угле отклоне­ния луча от нормали θο = 45°. На рис. 8, а вид­но «разбегание» координат нулей измеряемых разностных диаграмм, на рис. 8, б - результат проведенной компенсации.

 

Рис. 8. Данные практических измерений θa и θy (до установки РПО) по сигналам двух разностных каналов при первоначальной установке тестируемой ФАР по крену Ψ = 60° и угле отклонения луча от нормали θo = 45° до (а) и после (б) компенсации

 

Для всех дальнейших измерений УОП (после установки РПО) за точку начальной установки следует брать новую точку с уче­том компенсирующей добавки ∆αxi, j комп и ∆αyi, j комп.

Измерительный комплекс АКК1-12. Оборудование комплекса. Автоматизация измерений с помощью ПО Stend BEK

На рис. 9 представлена блок-схема антен- но-коллиматорного комплекса (АКК1-12), на базе которого и проводились измерения.

 

Рис. 9. Блок-схема антенно-коллиматорного комплекса (АКК1-12)

 

Значительные массивы измеряемых и об­рабатываемых по предлагаемой методике дан­ных потребовали создания специальной про­граммы. Программное обеспечение (ПО) Stend BEK было создано и опробовано на комплексе. Интерфейс ПО StendBEK показан на рис. 10.

 

Рис. 10. Интерфейс программы Stend BEK

 

Помимо обычного измерения ДН, при использовании одновременно трех каналов тестируемой ФАР (суммарного, азимутально­го и угломестного разностных) она позволяет вычислять УОП, возникающие в системе ФАР - РПО, по предлагаемой методике. На начальном этапе, до установки РПО, на каждом из вы­бранных сечений по углу крена Ψj и по сфор­мированному файлу заданий для B0i одновре­менно измеряются минимумы сечений обеих разностных ДН и по координатам начального «разбегания» θa и θу вычисляются компенсирующие добавки в каждой точке начального фазирования ФАР (∆αхi, j комп и ∆αуi, j ) комп из файла заданий. Затем измерения повторяются по этим же точкам, но с уже установленным РПО. Теперь с учетом найденных компенси­рующих добавок в системе координат углов фазирования αх,j и αу,j рассчитываются ком­поненты УОП (Δαχι·,j и ΔαyiJ), вносимые не­посредственно самим РПО. На основе данных измерений в дальнейшем формируется полная матрица УОП. Кроме того, поскольку в про­цессе измерения и вычисления УОП измеряет­ся еще и суммарная ДН (до и после установки РПО), то не составляет труда вычислять и ко­эффициент прохождения (КП) РПО по тем же точкам, где проводится измерение УОП. И хотя такая задача не ставилась, на основе этих дан­ных может быть легко сформирована полная матрица КП по всей поверхности РПО.

Оценка ошибок измерения

Прежде чем перейти к обсуждению практиче­ских измерений, следует рассмотреть возни­кающие ошибки, присущие как измеритель­ному комплексу, на котором они проводились, так и предлагаемой методике их проведения. Они могут быть разделены на систематиче­ские и случайные.

Систематические ошибки и возмож­ности их компенсации. По большей части погрешность, которую компенсируют спосо­бом, описанным выше, можно отнести к систе­матической, т. е. определяемой механическим несовпадением плоскости перемещения те­стируемой ФАР и гипотетической плоскостью измерений (плоскость «истинного» горизон­та). Однако даже если начальная компенсация была корректно проведена по всем предпола­гаемым к измерениям точкам (т. е. для всех возможных θoi, Ψj) при отсутствии РПО на тестируемой ФАР, то при последующей его установке возникает другая опасность. Если плоскости сканирования тестируемой ФАР без РПО и с РПО совпадают полностью, т. е. установка дополнительного веса на ОПУА не меняет пространственное положение ФАР с РПО по отношению к положениям ФАР до его установки для всех возможных θoi, Ψj, то дополнительной погрешности не возника­ет. Но практические измерения показывают, что это не так. Навеска на тестируемую ФАР РПО даже достаточно легкого (порядка 12 кг) макета-имитатора, речь о котором пойдет да­лее, приводит к уходу ее пространственного положения относительно начального. Если при этом не возвращать систему в изначаль­ную реперную точку привязки, то к измерен­ным реальным компонентам УОП, связанным исключительно с преломлением волнового фронта обтекателем, добавятся неучтенные компоненты обеих ошибок, относящихся к изменению пространственного положения си­стемы. После этого разделить вклады в зна­чение измеренных компонент УОП от одного и другого факторов невозможно. На рис. 11 показано, какие доступные меры по предот­вращению ошибок, вносимых механической системой ОПУА (главным образом в приводе угломестного канала), были приняты.

 

Рис. 11. Способ компенсации ошибок, вносимых механической системой ОПУА в приводе угломестного канала при ∆Умтеод = 3 угл. мин, ∆Умас = 4,12 угл. мин

 

Лазерный датчик-указатель, закреплен­ный до установки на тестируемую ФАР РПО с помощью жесткого кронштейна, дает на по­верхности коллиматора (считаем его непод­вижным объектом) световое пятно. На него наводится прицельное перекрестие оптической трубы теодолита. По отсчетной шкале прибо­ра фиксируются азимут и угол места пятна от лазерного указателя (следовательно, и самой тестируемой ФАР) в системе координат теодо­лита. Подобная процедура проводится для всех углов крена Ψj, на которых предполагается измерять УОП. Угол азимутального поворо­та, на котором происходит подобная привязка ОПУА, в данном случае был один и тот же - θ = 0 (точнее, азимутальный угол найденной электрической оси при угле крена Ψj·). После установки РПО за счет механического прови­сания угломестного привода ОПУА (возможно из-за механических люфтов) вместе с установ­ленной на нем ФАР пятно от лазерного указате­ля смещается. Для приведения системы ФАР - РПО в точку начала координат электромеха­ническим угломестным приводом ОПУА по координатной отсчетной шкале теодолита осу­ществляют возврат системы в точку начальной привязки. Подобная процедура привязки (по заготовленной до установки РПО таблице) выполнялась для всех возможных углов крена системы - Ψj. Для худшего случая точность компенсации электромеханическим приводом ОПУА в системе координат теодолита состав­ляла 3 угловые минуты. На рис. 11 показано, что с учетом взаимного расположения пози­ций ОПУА, зеркала коллиматора, тестируемой ФАР и теодолита при пересчете в систему ко­ординат антенны, точность составит порядка 4,2 угловой минуты.

К сожалению, компенсация механиче­ского «провисания» угломестного привода по неподвижной привязке (коллиматору) прово­дилась только на нулевых углах азимуталь­ного поворота ОПУА, и какова будет макси­мальная ошибка измерения компонент УОП, связанная с несовпадением плоскостей при других углах азимутального поворота ОПУА θoi, сложно предположить. Контроль пози­ций объекта (ФАР - РПО) во всем диапазоне углов установки θoi, Ψj возможен, хотя и по­требовал бы существенно большего количе­ства дополнительных датчиков положения. В рассматриваемом случае не было ни времен­ных, ни материальных ресурсов для дальней­шего углубленного продолжения данных работ.

Случайные ошибки. Прежде всего к ним можно отнести среднеквадратичную ошибку фазирования решетки определенного размера с заданным количеством фазоуправляемых эле­ментов в раскрыве и известным числом двоич­ных разрядов управления фазовращателем. По этой причине в рамках предложенного метода и ошибка начальной компенсации, и ошибка, с которой проводится последующий расчет компонент (Δαxi, j Δαyi, j), являются также слу­чайными. После измерений расчет компонент УОП, вносимых РПО, осуществляется по фор­мулам (15), (16), которые в некоторых случаях, могут быть упрощены до выражений:

где Δαxi,j - составляющая пеленгационной ошибки, вносимой обтекателем, по углу αх (при θ = θoi; Ψ = Ψj);

Ψ j - текущее значение угла крена антен­ной системы относительно горизонтальной плоскости азимутального сканирования ОПУА;

θoi - текущее значение угла B0 в сфериче­ской системе координат ФАР между нормалью к раскрыву ФАР и направлением на минимум, формируемый пространственными разностны­ми ДН, до установки обтекателя, при котором измеряемые минимумы в сечениях разностных ДН совпадают;

Δαуi, j - составляющая пеленгационной ошибки, вносимой обтекателем, по углу α y (при θ = θοί; Ψ = Ψj);

θai - измеренный, фактический угол ми­нимума сечения разностной пространствен­ной азимутальной диаграммы (при θ = θοί; Ψ = Ψj) после установки обтекателя;

θyi - измеренный, фактический угол ми­нимума сечения разностной пространственной угломестной диаграммы (при θ = θοί; Ψ = Ψj) после установки обтекателя.

Следует еще раз подчеркнуть, что речь идет о вычисляемых ошибках в системе ко­ординат углов фазирования ФАР (αх; αy). По известным из математики (метрологии) соот­ношениям погрешность величины, представ­ляющей из себя сложную функцию (многих переменных), определяется путем вычисле­ния ее дифференциала через дифференциалы ее аргументов. В данном случае аргументами были бы: Δθο;·, который определяется сред­неквадратической ошибкой установки луча ФАР и погрешностью установки ОПУА в ази­мутальной плоскости; Δθο;·, Δθ yi, которые бу­дут определяться и случайными ошибками фа­зирования, и ошибками измерения координат минимумов разностных ДН (в рамках принято­го алгоритма); ΔΨj , определяемый случайной погрешностью установки ОПУА по углу крена.

Из всего сказанного следует вывод, что для общего случая измерений в косых пло­скостях даже погрешность измеряемых ар­гументов является неопределенной, а задача оценки погрешности вычисления самих функ­ций Δαxi j , Δαyi j математическими методами становится непростой и выходит за рамки ком­петенции авторов.

Но набрав статистику измерений, авторы вполне могли бы оценить тот доверительный интервал, в который укладываются все измеря­емые реализации, при воздействии всех случай­ных факторов проводимых измерений. К сожа­лению, в рамках настоящей работы эта оценка, ввиду дефицита времени, не проводилась, но вполне может быть осуществима при дальней­шей работе в данном направлении. На практи­ке для предлагаемого метода компенсации это могло бы выглядеть следующим образом.

Рассмотрим измерения, проводимые по одному из сечений на угле крена Ψ = Ψj . Пред­ложенный метод компенсации до установки РПО предполагает создание откорректирован­ного массива данных координат фазирования на всех возможных углах θοί, где выполняют­ся условия пеленга θaiyi. Впоследствии после установки РПО и соответствующих из­мерений эти координаты будут использованы для расчета компонент УОП. Таким образом, если провести несколько независимых изме­рений до установки РПО, а потом такое же количество после установки, то программу расчета (в составе разработанного ПО Stend BEK) можно заставить вычислить компоненты УОП перекрестно, объединяя произвольные данные до установки РПО с произвольными данными после его установки. Например, это можно представить как перекрестное объеди­нение измеренных массивов (рис. 12). Таким образом, при трех (см. рис. 12) измерениях до и после получаем 9 реализаций каждой из компонент УОП.

 

Рис. 12. Статистическая обработка массивов данных на основе объединения измеренных данных

 

На рис. 13 эти 9 рассчитанных реализа­ций (например, компоненты Δα xi, j), представ­ленные вместе, образуют некий статистиче­ский «коридор», который может быть положен в основу доверительного интервала измерений.

 

Рис. 13. Получение доверительного интервала рассчитанных реализаций (компоненты ∆αхi,j)

 

Использование быстросъемного макета-имитатора РПО с «искусственно» вносимыми неоднородностями

Для отработки методики и сравнения полу­ченных результатов с данными измерений при применении других методик была пред­ложена и изготовлена модель имитатора РПО, обладающая следующими свойствами:

  • реальная, наблюдаемая при измерени­ях способность преломлять фронт падающей плоской волны (т. е. вносить УОП по обеим компонентам ∆αхi, j и ∆αуi, j);
  • низкий вес, для того чтобы механиче­ское воздействие на приводы ОПУА с установ­ленной на нем системой ФАР - РПО было бы минимальным;
  • простота установки и съема макета-имитатора с тестируемой ФАР, установленной на ОПУА, с минимально возможным воздей­ствием на его механические приводы;
  • различные участки поверхности ими­татора должны обладать различным коэффи­циентом преломления (как это бывает в ре­альном РПО).

На рис. 14 представлен изготовленный макет имитатора. Он имел лишь одну (верти­кальную) плоскость симметрии и с успехом выполнял свою главную функцию - вносить УОП при установке на тестируемую ФАР.

 

Рис. 14. Модель имитатора РПО

 

Результаты измерений УОП, проведенных на макете-имитаторе РПО

Графики компонент УОП, полученные с ис­пользованием предлагаемой методики, для из­готовленного макета-имитатора РПО на неко­торых углах установки системы ФАР - РПО по крену приведены на рис. 15. Частота, на которой проводились измерения, соответство­вала длине волны 3 см. Все измерения на ма­кете-имитаторе РПО представлены на одной частотной литере. Графики компонент (∆αхi, j и ∆αуi, j) УОП в угловых минутах в коорди­натах θ, Ψ на углах крена системы Ψ = ±30°, ±45°, ±60° приведены на рис. 15-17.

Плоскостью симметрии для данного ма­кета-имитатора РПО, схематически показан­ного на рис. 18, будет вертикальная плоскость, проходящая через его продольную ось. Симметрично расположенные относительно нее точки на поверхности РПО (некоторые из них показаны на рис. 18), по всей видимости, долж­ны обладать схожими свойствами по способно­сти преломлять падающую электромагнитную волну. Из простых представлений геометрической оптики следует, что для компоненты Δαх (∆Аз - азимутальная составляющая на рис. 18) это совпадение по абсолютной величине и про­тивоположность по знаку. Для компоненты Δαу (∆Ум - угломестная составляющая на рис. 18) это совпадение по абсолютной величине и по знаку. Приведенные далее графики доста­точно наглядно это демонстрируют. Именно по данной причине результаты измерений представлены парными графиками на соответству­ющих углах ±Ψ.

 

Рис. 18. Схематическое изображение произвольного РПО и характерных точек на его поверхности

 

Отсутствие полной четной или нечетной симметрии отчасти обусловлено значительными погрешностями ручного изготовления макета.

Объединенные на графике результаты измерений отдельных компонент УОП (Δα xi, j и Δα yi j), проведенных на имитаторе РПО для некоторых из его сечений (т. е. на раз­личных углах крена системы антенна - об­текатель), представлены на рис. 19. Плавная эволюция компоненты Δαх по мере прибли­жения от углов Ψ = +60° к предельному углу крена Ψ = 0° прослеживается на рис. 19, а, а для компоненты Δαу по мере приближения от Ψ = 30° к углу Ψ = 90° на рис. 19, б. Причем на углах установки системы Ψ = 0° и Ψ = 90°, где предложенный метод уже не дает результата вви­ду вырождения минимума одной из разностных ДН, компоненты были измерены классическим методом разности. Он предполагает вычитание измеренных угловых координат соответствую­щей разностной ДН до и после установки РПО.

Кроме того, для компоненты УОП Δαx на рис. 20 и для компоненты УОП Δαу на рис. 21 на угле крена системы Ψ = ±60° приве­дены данные, полученные по другой методике. Суть ее состоит в непосредственном измере­нии координат пространственного минимума, формируемого динамическими разностными пространственными ДН (ДПДН) тестируемой ФАР [5], до и после установки РПО, когда по­ложение этого минимума изменяется. Измере­ние разностных ДПДН проводилось при раз­личных углах установки тестируемой ФАР к плоскому фронту падающей от коллиматора электромагнитной волны. Понятие «динами­ческая» в аббревиатуре ДПДН применено в том смысле, что сами пространственные ДН измерялись в некоторой области отстроек по θ, Ψ относительно начальной установки за счет чисто электронного сканирования луча ФАР в данной области. Для удобства компо­ненты УОП, измеренные на модели-имитато­ре РПО с применением ДПДН и полученные методом компенсации по сечению Ψ = ±60° приведены на графиках вместе. Данная мето­дика, ввиду сложности практической реализа­ции на измерительном комплексе и огромного массива измеряемых при этом данных, пока находится в стадии разработки. Но неплохая повторяемость данных, полученных на одном и том же макете-имитаторе РПО с помощью двух разных подходов, позволяет надеяться, что и метод измерения УОП с применением ДПДН найдет свое место.

Заключение

Описанный способ измерения УОП в доступ­ной для сканирования угловой области ФАР позволяет определять обе компоненты ошиб­ки, обусловленные наличием обтекателя. Он отличается простотой реализации и матема­тической обработки.

В слепых секторах, близких к ортого­нальным плоскостям (0° и 90°), там, где ми­нимум сигнала одного из разностных кана­лов заплывает и становится недоступным для определения его угловой координаты, данный метод перестает работать. По этой причине для его наиболее полного применения важно иметь хороший инструмент, т. е. ФАР с глубиной нулей формируемых разностных ДН не хуже 30 -35 дБ. Сектор измерений по Ψ, где мини­мум разностной ДН (при принятом алгоритме его измерения) мог быть однозначно опре­делен для имевшейся в распоряжении ФАР авторов, был ограничен углами -30°...-70° и +30°.. .+70°. Компоненты УОП в недоступных для измерения по данному методу слепых зо­нах могут быть определены, например, мето­дом экстраполяции по соседним измеренным зонам или дополнены данными, измеренными в этих секторах с применением других мето­дик. Перспективным может оказаться метод электронного формирования специальных ко­сых разностных ДН. Следует отметить, что в двух предельных случаях установки системы ФАР - РПО Ψ = 0° или Ψ = 90° формулы (17), (18) для расчета одной из компонент УОП вы­рождаются в простейшие выражения, по кото­рым вычисляются УОП в классическом методе разности. Таким образом, в двух предельных случаях одна из компонент УОП измеряется хорошо известным способом.

Предложенный способ требует даль­нейшего тщательного метрологического ис­следования для возможной последующей его аттестации и применения в качестве мето­да определения характеристик системы ФАР (АФАР) - РПО (УОП, КП обтекателя и т. д.).

Об авторах

И. Е. Макушкин
АО «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова»
Россия


А. Е. Дорофеев
АО «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова»
Россия


А. Н. Грибанов
АО «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова»
Россия


С. Е. Гаврилова
АО «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова»
Россия


А. И. Синани
АО «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова»
Россия


Для цитирования:


Макушкин И.Е., Дорофеев А.Е., Грибанов А.Н., Гаврилова С.Е., Синани А.И. Метод измерения угловых ошибок пеленга в системе «антенна - обтекатель» в области сканирования луча ФАР. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(2):7-24. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2019-2-7-24

For citation:


Makushkin I.E., Dorofeev A.E., Gribanov A.N., Gavrilova S.E., Sinani A.I. A method for measuring angular bearing errors in the “antenna - radome” system in the phased-array beam scanning region. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2019;(2):7-24. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2019-2-7-24

Просмотров: 437


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)