一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法，其中包括：基于面阵三角栅格布阵，引入虚拟阵元简化计算求得基础波控码；通过自定义光纤实时接收伺服模块送来的舰船姿态信息及伺服信息，采用流水线处理方式，进行航向、纵摇、横摇、伺服方位、面阵倾角五级流水的实时坐标系修正，其中的正余弦计算、波控码系数存储、矩阵乘法等方面的计算均利用Xilinx ISE开发软件自带的IP CORE进行实现，对波控码计算结果采用自动判别有效位的方式进行高精度截位；通过光纤接收到传输分系统的周期同步信号后读取资源调度模块对应的波束调度表，根据波束指向、频点、伺服信息及平台修正信息计算其下个脉冲重复周期的波束控制码。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法
本专利技术涉及调度与波束控制领域。
技术介绍
相控阵雷达具有波束扫描灵活、快捷的特点，而天线波束的扫描是通过波束控制系统来实现的。波束控制系统是相控阵雷达所特有的，它取代了机械扫描雷达中的伺服驱动系统，并在舰载雷达系统中承担着舰载平台的波束电子稳定任务。一般的，舰载相控阵雷达要求电子稳定平台能够：(1)正确生成天线阵面上各个移相器的控制信号，使天线波束准确指向预定的空间方向；(2)能够自动补偿舰船行驶过程中航向、船体纵横摇、伺服方位及阵面倾斜等因素，自适应地将波束指向修正得正确稳定；(3)快速的响应能力及高效的处理能力，确保系统的响应速度。(4)尽可能减小系统设备量和体积，并降低成本。然而实现波束电子稳定却存在问题：雷达面阵天线阵元排列方式灵活，使得波束控制码计算难度加大；因舰体摇摆导致测量精度不高、影响雷达探测空域。因此，宜采用合理有效的方法降低天线面阵阵元波控码计算的复杂度；采用高精度的电子波束稳定方法进行实时修正。本设计提出了一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法。这种波束电子稳定方法区别于一般方法，针对其天线面阵三角布阵的方式引入虚拟阵元简化计算求得基础波束控制码；针对船体摇摆等造成的波束指向不稳定，根据从伺服系统接收的舰船船体的横摇角、纵摇角、航向角及天线阵面安装的倾角，进行相关的矢量旋转的矩阵坐标系变换进行电子平台运动补偿，实现了多个波束的同时电子稳定平台解算。该方法具有使用资源少、波束解算速度快、解算精度高等特点，具有一定的工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于三角布阵的二维电子稳定平台的高精度的实时解算方法。实现本专利技术的解决方案是：基于ISE14.7硬件处理平台的VHDL编程实现，使用一片FPGA和一块综合接口板。引入虚拟阵元简化计算求得基础波控码，通过自定义光纤接收伺服分系统传输的舰船姿态信息和伺服信息。波控参数计算单元根据舰船姿态信息进行电子平台修正，产生平台修正信息在内部存储，当接收到周期同步信号后读取对应的波束调度表，根据波束指向、频点、伺服信息及平台修正信息计算下周期的波束控制码，最后将周期及波束控制码等波控参数通过传输分系统送至定时模块。本专利技术的有益效果：1.只采用一片FPGA，硬件资源需求少；2.本专利技术针对三角布阵，引入虚拟阵元且将实现任务进行分解，简化了计算复杂度，易于实现；3.采用流水线的实现方法，提高了计算实时性；4.采用自动判别有效位的方式截位处理，提高了运算精度；5.波束控制码及相关矩阵的计算均利用XilinxISE软件平台提供的IPCORE实现，计算误差小，增强了计算稳定性。附图说明图1是本专利技术二维电子波束稳定平台实现框图。图2是三角形栅格布阵引入虚拟阵元转换为矩形栅格示意图。图3是阵元排列示意图。图4是航向变换示意图。图5是二维波控码多波束并行处理流程图。图6是自动判别有效位的截位处理流程图。具体实施方式本专利技术实现的一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法，包括基础波束控制码的计算及电子平台修正两个方面，具体实现框图见图1。1.波控参数计算单元的基本功能是根据要求的相控阵天线波束指向，计算每一个阵元要求的波束控制码，控制数字移相器相位状态的转换，使天线波束指向预定指向。波控参数计算单元提供的波束控制码与天线波束指向是一一对应的。天线阵元按三角栅格排列，三角布阵的天线波束控制相对于矩形布阵的计算更加复杂，因此本专利技术采用的方法是将三角形栅格排列转化为矩形栅格排列，具体做法是在两个阵元中间插入一个虚拟阵元，如图2所示。原来行间距及列间距分别为d2和d1的三角形栅格排列转换为行间距及列间距分别为d1/2和d1的矩形栅格排列，波控参数计算单元按照矩形栅格排列方式计算对应的基础波束控制码。由于插入虚拟阵元，阵面的阵元增加了一倍，但实际阵元并没有增加，因此T/R组件自身需要将虚拟阵元剔除掉。为方便计算，下面分析阵元矩阵栅格排列时基础波束控制码的计算。如图3所示，天线阵面在(y,z)平面上，共有M×2N个天线阵元(由于插入虚拟阵元，实际上只有M×N)，阵元间距分别为d1(沿z轴方向)和d2/2(沿y轴方向)。天线波束方向图最大值的方向余弦为(cosαx，cosαy，cosαz)，则相邻阵元的空间相位差为：沿z轴方向沿y轴方向第(k,i)阵元相对于第(0,0)阵元的空间相位差为φik＝iφ1+kφ2根据空间相位差相对于阵内相位差原理，可以求出阵列相位差φBik＝iα+kβ其中上式中A和E分别为地理极坐标系下的方位角和俯仰角，资源调度单元提供的即为该坐标系下的值。K为数字移相器的位数，此时第(k,i)阵元移相器的波束控制码为：C(k，i)＝iα+kβ其中整个阵面的阵内相位矩阵[φBik]MN为上式中α和β即为方位和仰角基础波束控制码。波控参数计算单元通过光纤将方位和仰角基础波束控制码经传输分系统送至有源面阵分系统中预处理单元，预处理单元继而将其分发至T/R组件，由T/R根据自身位号产生最终的波束控制码。以上波束控制码是基于理想情况计算得到的，没有考虑到天线阵面倾角、伺服弦角及舰船姿态角的影响，需要通过坐标变换对这些影响因素进行补偿，在计算移相器的移相值前需进行电子平台修正，得到实际应用中的波束控制码，以实现二维电子波束稳定。2.电子平台修正在进行电子平台修正前先对坐标系做如下定义：电子平台修正进行坐标变换所需信息主要有阵面倾角、弦角、横摇角、纵摇角及航向角，其符号及方向规定为：a)D即阵面倾角，阵面OXaZa与平面OXtZt的夹角；b)B即舷角，天线面阵的法线在甲板面的投影与舰艏线之间的转角，顺时针为正；c)R即横摇角，绕舰船艏艉线水平面的转角，左舷抬起为正；d)P即纵摇角，舰船艏艉线相对于水平面的转角，舰艏抬起为正；e)H即航向角，舰船艏艉线在水平面投影相对于正北的转角，顺时针为正。坐标系变换开始时，地理坐标系和甲板坐标系重合，使航向角、纵摇角和横摇角一次变化，做三次变换后，完成了地理坐标系到甲板坐标系的变换；然后再进行一次甲板坐标系到旋转面阵坐标系的变换；最后再进行一次旋转面阵坐标系到天线阵面坐标系的变换。进行坐标变换变换时，上述五个角度的定义是相互牵制的关系，只有依照航向角→纵摇角→横摇角→舷角→阵面倾角这种顺序的变换方法才是最简单的，且不会引入变换误差。由图4可知：首先航向角H发生变化，OXYZ坐标系绕Z轴旋转H后的坐标系为OXhYhZ，设为单位向量，B点在OXYZ坐标系中的坐标为(x,y,z)，在OXhYhZ坐标系中的坐标为(xh,yh,z)。B点在水平面的投影点为B’，r＝OB’，r与Y轴夹角为方位A，OB与OB’的夹角为俯仰角E。推导得到了地理坐标系与天线阵面坐标系之间的关系：根据坐标定义，地理极坐标系与地理直角坐标系间的关系是：将其代入地理坐标系与天线阵面坐标系之间的关系矩阵，可以得到xα与zα，根据几何关系，最终可得方位波束控制码α和仰角波束控制码β：其中，系数由MATLAB量化生成，且利用XilinxISE自带的BLOCKROMIPCORE存储。本专利技术多波束并行电子平台修正流程图如图5所示，各个波束波控码计算的具体实现步骤如下：S1：接收到的大地坐标系下的坐标值(x,y,z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法，其特征在于：步骤一：引入虚拟阵元简化计算求得基础波控码；步骤二：通过自定义光纤实时接收舰船姿态信息和伺服信息；步骤三：实时更新舰船航向、纵摇、横摇、面阵倾角信息进行波束指向修正；步骤四：接收到周期同步信号立即读取波束调度表，根据波束指向、频点、伺服信息及平台修正信息计算其下个脉冲重复周期的波束控制码。

【技术特征摘要】
1.一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法，其特征在于：步骤一：引入虚拟阵元简化计算求得基础波控码；步骤二：通过自定义光纤实时接收舰船姿态信息和伺服信息；步骤三：实时更新舰船航向、纵摇、横摇、面阵倾角信息进行波束指向修正；步骤四：接收到周期同步信号立即读取波束调度表，根据波束指向、频点、伺服信息及平台修正信息计算其下个脉冲重复周期的波束控制码。2.根据权利要求1所述的一种基于三角布阵的二维电子稳定平台实时计算方法，其特征在于：在所述步骤三之后还可以包括以下步骤：S1：接收到的大地坐标系下的坐标值(x,y,z)T；S2：计算航向造成的坐标系修正矩阵TH；S3：计算纵摇造成的坐标系修正矩阵TP；S4：计算横摇造成的坐标系修正矩阵TR；S5：计算伺服方位造...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘溶，张楠，毕井章，王锐，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二四研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32