张晓愚，莫崇江，王衍琪，黄剑峰，张 云，张 樯

(北京环境特性研究所,北京 100854)

波束方向探测技术的注入式仿真系统验证

张晓愚，莫崇江，王衍琪，黄剑峰，张 云，张 樯

(北京环境特性研究所,北京 100854)

这篇文章主要介绍采用功率探测仪方式的注入式仿真系统对波束方向地面探测试验系统进行验证的系统设计和软、硬件控制与实现；通过向注入式仿真系统输入模拟目标星在不同位置发射的信号功率，以及目标星在平台坐标下的角度和位置信息，一方面确定地面探测试验系统技术方案的可行性和检测相关设备的性能，另一方面验证对目标星发射天线主波束方向的探测是否满足精度要求；通过仿真试验证明该注入式仿真系统不仅使用方便、节约成本，而且通过控制相关仪器设备能够准确记录地面探测试验系统对目标星仿真数据的计算信息，进而实现验证。

注入式仿真系统; 波束方向; 地面探测;

0 引言

空间技术在经济、军事、科学、政治上具有重要意义，并广泛应用于众多领域，其发展之迅速已与个人生活息息相关，密不可分。与此同时，对空间目标的探测技术也提升到了前所未有的战略高度。本文提出了对空间非合作目标主波束方向地面探测试验进行验证的注入式仿真方案。

主波束方向探测技术能够实现在空间同步轨道对目标卫星与地面站通信链路的准确探测，在主波束探测系统上天前，必须建立地面试验系统，验证主波束方向探测关键技术方案的可行性，并对相关设备的性能进行检测。本文提出的对空间目标主波束方向地面探测试验进行验证的注入式仿真方案采用功率探测仪方式，通过模拟目标星在不同位置发射的信号功率，以及目标星在平台坐标下的角度和位置信息并注入功率探测仪，确定其对目标星发射天线的主波束方向的探测是否满足精度要求。

1 注入式仿真系统原理和组成

1.1 注入式仿真系统原理

注入式仿真是一种半实物仿真，模拟产生真实的信号并注入到实际的系统中，产生所模拟态势下设备所面临的信号。具有试验过程和环境可控、可仿真外场试验受各种客观条件限制无法实施的试验性能，并且重复性好，能获得更全面的试验数据，可有效弥补外场试验的上述不足。鉴于注入式仿真系统的优点，在不具备在暗室进行试验的条件下，本文采用注入式仿真系统对目标星波束方向的地面探测技术进行验证。

该注入式仿真系统将仿真的射频信号不经天线辐射而直接通过电缆送入被测设备相关输入点上，而且被测设备的天线特性也被同时模拟，系统根据目标天线的辐射方向图，通过控制各通道射频信号的幅度，模拟传感器与目标天线相对位置发生改变时，传感器接收到的功率变化，以实现传感器搜索导向流程的功能检验和指标验证。

该注入式仿真系统要实现对目标星发射信号功率的模拟，必须等效空间探测的实际情况。

1.1.1 最大功率分布等效

注入式仿真系统输入到功率探测仪的功率最大值必须符合目标星天线辐射在平台平面上的功率密度分布和空间损耗。其中，空间损耗按下式计算：

式中,D为距离，单位Km；f为发射频率，单位MHz。

1.1.2 注入功率范围等效

当主动雷达单脉冲测角使平台运动到目标星下方时(以地球法线为参考0.05°范围内)，这时需要找寻目标星天线的波束方向可能在±0.8°(目标星与地面基站连线为基准线)内任意方向。根据目标星天线方向图，注入式仿真系统输入到功率探测仪的功率变化范围应当为±0.8°内主瓣幅值的变化范围。

1.1.3 最小功率梯度等效

根据目标星天线口径模拟天线主波束3 dB宽度内的功率分布，图1为示意图，寻找随角度变化的最小功率步进，同时还需要考虑系统存在一定误差，因此注入式仿真系统输入到功率探测仪的最小功率梯度必须留有余量。

图1 主波束示意图

1.1.4 功率稳定度等效

功率探测仪因需较长时间的探测过程，因此需考虑探测过程中信号源和功放等仪器的功率稳定度，由于越接近波束方向中心功率梯度越小，忽略接收机的线性度，实际探测过程中只要发射功率稳定度不大于其中心功率梯度的变化，就能探测到与功率梯度变化相对应的波束方向。

1.2 注入式仿真系统组成

该注入式仿真系统采用功率探测仪方式，由信号发生器(数字和模拟)、功分器、步进衰减器、功率计、接口转换模块、控制计算机和控制软件组成，与仿真评估计算机、功率探测仪共同构成目标波束方向探测地面技术验证系统，其结构如图2所示。

图2 目标波束方向探测地面技术验证系统

其中方框内各设备构成注入式仿真系统，各组成部分的功能和作用如下：

1)遥测码信号放射器：输出BPSK+PM调制信号，要求功率稳定。

2)数传码信号发生器：输出QPSK调制信号，产生高速码。

3)功率计：监测信号源输出功率，并以其检测值为基准对信号源输出功率进行修正和闭环控制。

4)步进衰减器：衰减信号源输出功率以满足功率探测仪输入功率的要求。

5)接口转换模块：实现CAN信号、串口422信号与网络信号相互转换的功能，起到仿真评估计算机与功率探测仪之间的通信中转作用。

6)控制计算机：信号发射系统闭环控制以及与仿真评估计算机之间的通信。

2 控制软件

2.1 控制软件的功能

控制软件位于控制计算机内，实现对注入式仿真系统参数配置，以及与仿真评估计算机、功率探测仪通信互联。按照功能划分，主要由系统控制及显示模块、通信控制及显示模块以及状态标示模块等组成。

具体可实现功能如下：

1)接收仿真评估计算机传来的功率信息和位置姿态信息并显示；

2)控制遥测码信号发射器的功率及BPSK调制的相关参数，按0.05 s(可调)发送来自仿真评估计算机的功率信息列表，改变模拟信号源的功率值，同时记录信号源功率改变过程；按照相应时序控制数控码信号发射器、功率计，并显示相应信息(功率读数、线性曲线拟合等)；

3)控制数控码信号发射器的功率及QPSK调制的相关参数，按0.05 s(可调)发送来自仿真评估计算机的功率信息列表，改变数字信号源的功率值，同时记录信号源功率改变过程；

4)可根据功率计单独对信号源(模拟和数字)输出的功率提前进行修正。

5)中转功率探测仪发送的功率信息和波束中心位置信息并显示，其中控制计算机传给功率探测仪的数据为0.05 s(可调)传输一个，功率探测仪传给控制计算机的数据为0.4 s一个。

2.2 控制软件的接口

控制软件的接口包括控制计算机与仿真评估计算机、控制计算机与信号源，控制计算机与功率计，控制计算机与功率探测仪。

1)控制计算机与仿真评估计算机接口。

两台计算机通过网口连接，遵循TCP/IP协议，控制计算机接收每个位置功率值和位置姿态信息，同时向仿真评估计算机转发功率探测仪传回的功率值和位置信息。

2)控制计算机与功率探测仪接口。

控制计算机作为仿真评估计算机和功率探测仪的通信中转站，通过接口转换模块实现仿真评估计算机和功率探测仪通信中转，接口包括一个RS422串口和两个CAN接口。

图3 工作状态示意图

3)控制计算机与信号源及控制计算机与功率计的接口。

控制计算机与数字、模拟信号源及控制计算机与功率计的接口均为网口。由于数字、模拟信号源和功率计都是标注仪器，支持VISA标准协议。

2.3 控制软件的时序

控制软件的时序由系统响应时间决定，一是射频信号发生时间，二是通信转接延时。

1)射频信号发生时间。

射频信号发生时间主要包括接收仿真评估计算机功率值的延时和信号发生时间之和。因仿真评估计算机和控制计算机之间以及控制计算机与信号源之间用百兆网或千兆网通信，因此延时很短，花费时间也在微秒量级，可以忽略不计。因此射频信号发生时间由信号源幅度稳定时间决定。

2)通信转接延时。

仿真评估计算机和控制计算机之间通过网口通信，控制计算机通过接口转换模块实现仿真评估计算机和功率探测仪之间的通信中转。因此通信转接延时包括网口延时和串口转换模块通信延时。网口延时很小，在微秒量级，可忽略不计。RS422串口通信速率最大可达10 Mbps，CAN总线通信速率为1 Mbps，因此通信延时也较小，设计50 ms的响应周期完全可满足要求。

2.4 控制软件的设计

该控制软件采用MVC三层模式，这是一种常见的面向对象设计模式，其结构如图4所示。

图4 MVC三层模式

其中，Model存储系统中的数据；View用于界面显示；Control处理Model中的数据，并将Model传递给View进行显示。

2.4.1 Model层类结构设计

Model对象负责存储系统中的数据，在本系统中，主要有一下几类数据：

1)上游系统发送的消息(U_TO_CMessage)；

2)发送给上游系统的消息(C_TO_UMessage)；

3)发送给下游系统的消息(C_TO_DMessage)；

4)下游系统处理后的消息(D_TO_CMessage)；

5)发送给设备的消息(C_TO_DevMessage)；

6)设备回执的消息(Dev_TO_CMessage)。

Model层的类图结果如图5所示。

图5 Model层类图设计

所有Model都继承自BaseModel，BaseModel定义了一些基本操作。主控程序与上下游系统通过TCP/IP协议进行通信，所有网络消息都以字节流的形式传输。

2.4.2 Control层类图设计

Control层负责整个主控系统的逻辑处理，需要实时地与上下游系统和标准设备进行交互，并将解析的数据传递给View界面进行展示。Control层类图设计如图6所示。

针对上下游系统和多台标准设备，设计了特定的handler类，每个handler都有一个线程(Thread)，以便充分利用CPU资源和提高系统的响应时间。在处理过程中，各个Handler将中间结果都存储到全局缓冲区(GlobalBuffer)中，实现数据共享。GlobalBuffer使用单例模式，采用队列(Queue)结构存储数据，对外提供线程安全的Push(将数据加入到队列)和Pop(从队列取数据)方法。

MainForm通过各handler对象与上下游系统和标准设备进行交互，接收和解析数据，并控制View界面控件进行展示。

2.4.3 View层界面设计

View层主要负责数据显示，如文本、曲线等。为了将Control中处理的数据显示到界面，使用了C 中的委托(delegate)和事件(Event)，采用异步编程的方式将数据发送给界面绘图线程进行展示。

3 仿真验证试验

3.1 环境控制

1)按图2将各设备连接，开机预热至少90分钟，测试控制计算机、仿真评估计算机、功率探测仪相互间通信是否正常。

2)室内空调打开，温度设定为20°，待温度恒定后30分钟。

3)试验操作人员尽量远离仿真设备，以尽量避免人员走动引起震动产生的功率幅值变化。

3.2 自校

自校的目的是为了验证遥测码信号发生器和数传码信号发生器最终输入到功率探测仪的功率步进精度是否满足要求。自校过程可分为遥测码信号输入自校、数传码信号输入自校以及两种信号合路自校。

3.3 流程

1)仿真评估计算机初始化，得到随机的目标星、探测平台，目标星及天线极化状态的初始姿态和位置，并根据姿态和位置给出探测平台在探测过程中接收到的系列功率值。

2)控制计算机接收仿真评估计算机传送的系列功率值，并按每0.05 s控制信号源功率顺序改变。同时控制计算机每0.4 s接收一次仿真评估计算机给出的目标星、探测平台，目标星及天线极化状态的初始姿态和位置，并同步转发给功率探测仪。

3)功率探测仪接收到位置、姿态及功率信息后，每0.4 s向控制计算机传送一个功率和波束中心位置数据，并同步转发给仿真评估计算机。

图6 Control层类图设计

图7 注入式仿真系统控制软件界面

4)仿真评估计算机判断波束方向探测精度是否满足要求。

在以上仿真过程中，可以通过打开或关闭数传码信号发生器，得到在有数传信号干扰和无数传信号时的仿真数据。

4 结论

经仿真验证试验，可得出以下结论：

1)注入式仿真系统使用简单方便，比暗室等采用其他手段的验证系统造价低廉。

2)通过控制信号源(模拟和数字)和功率计及其他设备，可以准确获取和记录功率探测仪反馈的数据信息。

3)可与仿真计算机注入的目标星模拟数据信息进行清晰的比对，实现验证的目的。

图7是注入式仿真系统的控制软件界面。从控制界面上可以清晰准确的对比仿真计算机模拟的目标星数据和功率探测仪进行计算和处理的反馈数据。

作为验证波束方向地面探测试验系统的半实物仿真系统，该注入式仿真系统不仅确定地面探测试验系统技术方案可行，而且为主波束探测系统上天正常运行、正确工作提供了保证。

[1]李大治，辛 勤，皇甫堪. 单站无源定位注入式仿真系统探讨. 系统仿真学报[J]，2007，19(7)：1489-1491

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[3]闵桂荣. 世界空间技术发展趋势[A]. 中国科协学术年会特邀报告文集[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。

张晓愚(1980-)，女，上海人，高级工程师，硕士研究生，主要从事雷达系统主控的研究和工程应用方向的研究。

1671-4598(2017)01-0213-04

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

TP311.1

A