崔麗麗 ，丁永紅，尤文斌，馬鐵華

（1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051）

0 引言

運載飛行器、導彈的研制在航空航天事業(yè)的發(fā)展及未來戰(zhàn)爭精確打擊需求中至關重要［1］。而任何運載飛行器從初期研制到最后定型，都需要經歷多次現(xiàn)場發(fā)射試驗和系統(tǒng)改進，而有效的彈載記錄儀能夠準確存儲記錄每次發(fā)射試驗的各種環(huán)境參數(shù)及載體的工作狀態(tài)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)改進設計［2］。當前彈載記錄儀因試驗往往落在沙漠、戈壁等自然環(huán)境復雜的地方，使得人工搜尋工作變得相對困難。僅依靠人眼搜尋，會出現(xiàn)搜尋成本高、時間長、直接影響工程進度等問題［3］。現(xiàn)階段記錄儀回收大多采用釋放飄帶、GPS、北斗衛(wèi)星等定位，但沒有GPRS基站的偏僻區(qū)域，實時監(jiān)控不再可行。GPS、北斗短信報文功能的使用需要與相關部門進行專門申請，費時費力，可靠性也是其重要的制約因素［4-7］。另一方面，試驗后彈載記錄儀著地時具有很高的加速度，記錄儀中電路模塊的抗沖擊能力也是試驗能否成功的關鍵［8］。本文針對此問題，設計了基于無線電測向技術的新型抗沖擊彈載記錄儀信標。

1 無線電測向原理

無線電測向定位過程，就是通過無線電波的發(fā)射與接收，測量目標相對于發(fā)射機的方向、距離等定位參量，估計目標位置方向的過程。其中振幅測向方法是根據(jù)測向天線上感應的電壓幅度具有確定的方向特性，當天線旋轉或等效旋轉時，其輸出電壓幅度按極坐標方向圖而變化這一原理來進行測向，因而振幅法測向又被稱為極坐標方向圖測向。根據(jù)檢測來波信號幅值大小又可以分為最小信號測向法、最大信號測向法和比幅測向法［9］。

最大信號測向法要求天線具有尖銳的方向特性，測向時旋轉天線，當測向機的輸出端出現(xiàn)最大信號值時，說明天線極坐標方向圖主瓣的徑向中心軸指向來波方位，根據(jù)此時天線主瓣的指向就可以確定目標信號來波的方位值，如圖1所示。

圖1 最大信號法測向示意圖Fig.1Schematic diagram of direction finding based maximum signal method

2 總體方案及信標發(fā)射機設計

2.1 總體方案設計

彈載記錄儀無線電信標是目標搜尋工作的關鍵部分。從低功耗考慮，其總體工作流程為：1）無人機攜帶的發(fā)射機持續(xù)發(fā)射以1 Hz的頻率發(fā)送搜索信號；2）彈載記錄儀信標在落地后進入接收狀態(tài)（10s開啟一次，工作2s后停止，過10s再開啟，如此循環(huán)），直到接收到喚醒信號后進入發(fā)射模式，連續(xù)工作10min后再次進入接收模式，等待喚醒信號，如此循環(huán)。3）信標機收到喚醒信號會連續(xù)發(fā)射信標信號，無人機檢測到各個方位的信號后，通過串口將強度和對應的GPS信息發(fā)送至飛行控制端；4）飛行控制端收到此信息后，大致鎖定信標機所在方位。此范圍要求在以信標機為中心，半徑為1km 的范圍內；5）在此1km范圍內以手持機快速定位回收記錄儀。

記錄儀外殼設計為六面體結構，微帶貼片天線安裝于外殼的六個表面，信標電路與記錄儀電路安裝于殼內。如圖2所示。

圖2 彈載記錄儀信標效果圖Fig.2 Effect diagram of missile borne beacon

2.2 信標發(fā)射機設計

彈載記錄儀無線電信標的實現(xiàn)主要依靠無線電信號的發(fā)射和接收，測向定位的實現(xiàn)主要包括信標發(fā)射機模塊、手持接收機模塊及必要的低噪聲放大接收組件，其構成框圖如圖3所示。

圖3 測向系統(tǒng)構成框圖Fig.3 Structure diagram of direction finding system

信標發(fā)射機基本上由基準晶振、頻率合成器、混合信號微控制器、功率放大器、六個天線選擇開關、饋線和微帶發(fā)射天線及電源等組成。發(fā)射機結構組成圖如圖4所示。

圖4 發(fā)射機結構組成圖Fig.4 Structure diagram of transmitter

發(fā)射機選用Silicon Labs混合信號微控制器C8051F330、寬帶頻率合成器ADF4350和HCM245選擇開關等芯片構成硬件電路，硬件電路圖及實物如圖5所示。

圖5 發(fā)射機硬件電路及實物圖Fig.5 Hardware circuit and physical diagram of transmitter

3 仿真及試驗驗證

3.1 抗沖擊性仿真分析

記錄儀跌落時根據(jù)多次現(xiàn)場試驗經驗，從約500m 高空跌落時經常會跌落到彈著點的沙土上。在仿真計算時按照此條件進行分析計算，以此考察記錄儀外殼的抗沖擊性能。由以往現(xiàn)場試驗經驗得知，記錄儀從500m 高空跌落到地面時的速度接近時速300m／s，以下仿真分析時以300 m／s的速度進行分析計算。

彈載記錄儀外殼材料采用硬質材料35CrMnSiA，其屈服極限為1 200 MPa，切線模量為2GPa，選用塑性隨動硬化模型Plastic Kinermatic；灌封選用環(huán)氧樹脂膠材料模型為MAT＿ELASTIC，其彈性模量Ex=2GPa，泊松比u=0.4，質量密度=1 100kg／m3［10］。圖6為選取記錄儀的碰撞接觸面上的安裝貼片天線位置的5 個質點H5059、H5072、H6457、H10397、H11123 進行等效彈塑應力分析，曲線如圖7所示。

圖6 跌落后接觸面質點的選取Fig.6 Dot selection of contact surfaces after falling

圖7 選取質點在碰撞方向的等效彈塑應力曲線Fig.7 The equivalent elastic-plastic stress curves of selection dot on collision direction

仿真表明，質點H11123 處最大等效應變?yōu)?.47%，符合跌落經驗值Effect Plastic Strain范圍在（0.3～0.5）%的范圍。

天線按60×60×1.6mm3尺寸建立仿真模型，數(shù)值模型采用cm-g-us單位制。天線PCB 板材料參數(shù)［11］：彈性 模 量Ex=11.1 GPa，質 量 密 度=1 938kg／m3，泊松比u=0.28。如圖8 所示，選取記錄儀的碰撞接觸面上的安裝貼片天線位置的5個質點H12702、H12399、H13267、H12317、H13029進行等效彈塑應力分析，曲線如圖9所示。仿真結果表明最大的等效塑性應變值為0.43%，符合跌落經驗塑性應變0.3%～0.5%的范圍。

圖8 記錄儀跌落接觸面天線選取質點Fig.8 Dot selection of contact surface antenna after falling

圖9 選取質點在碰撞方向的等效彈塑應力曲線Fig.9 The equivalent elastic-plastic stress curves of selection dot on collision direction

3.2 發(fā)射機模塊馬歇特落錘試驗

馬歇特錘試驗標準傳感器和信標發(fā)射機安裝位置如圖10所示。

圖10 發(fā)射機模塊馬歇特落錘試驗示意圖Fig.10 Schematic diagram of transmitter Marshall drop hammer test

試驗過程：將信標發(fā)射機安裝固定在馬歇特錘頭，B＆K 公司的8309作為標準傳感器也安裝固定在錘頭上，其靈敏度為0.048Pc／g，將電荷放大器的靈敏度設置為相同的值，達到歸一化的作用，利用多功能示波器采集加速度信號。試驗時將擊錘升至與水平成一定的角度，然后靠重錘的重力，使擊錘很快回轉，打擊在鐵砧上而產生沖擊加速度，此時傳感器產生的響應信號通過電荷放大器最終由數(shù)據(jù)采集卡記錄。試驗過程中，通過調節(jié)鐵氈上氈墊的厚度和擊錘的高度可以實現(xiàn)對加速度信號脈寬與幅值的調節(jié)。

實驗中共對信標發(fā)射模塊進行了6 次落錘試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 6次試驗數(shù)據(jù)匯總Tab.1 Test data of 6experiments

試驗數(shù)據(jù)表明，發(fā)射機受到的最大沖擊加速度為2.83×104g。每次試驗完成后，對發(fā)射機電路模塊進行測試，測試顯示其工作狀態(tài)正常。因此，信標發(fā)射機滿足沖擊要求。

3.3 記錄儀信標測向定位試驗

為了檢測記錄儀信標的性能，主要包括手持搜索機與記錄儀信標的工作距離以及在測向定位過程中，手持搜索機與信標機之間的方向性測試兩個方面。通過在野外空曠環(huán)境下充分模擬實際試驗條件下的搜索過程，來檢測監(jiān)測信標機的工作狀態(tài)。

試驗的具體過程為：記錄儀信標位置已知，以記錄儀信標位置為起點，對無遮擋和部分遮擋記錄儀（圖11 所示）在距起點1 200 m、1 000 m、800 m、500m等直線距離處進行各個方向的信號強度測試。

圖11 記錄儀信標無遮擋和部分遮擋示意圖Fig.11 Schematic diagram of borne beacon which unobstructed and partial occlusion

將實測數(shù)據(jù)繪制成坐標系下的曲線，方便直觀的觀察不同距離下手持接收機的強度和幅值，所繪制的坐標曲線分別如圖12、圖13所示。

圖12 記錄儀信標無遮擋時不同距離的測試組圖Fig.12 Test curves at different distances of unobstructed borne beacon

圖13 發(fā)射機部分遮擋時不同距離的測試組圖Fig.13 Test curves at different distances of partial occlusion borne beacon

圖12中的數(shù)據(jù)曲線表明，信標發(fā)射機無任何明顯阻擋情況下：1）能夠滿足1km 搜索距離；2）通過手持搜索機能較好地完成既定范圍內的測向定位過程；3）手持機接收天線在與發(fā)射機信源在的±30°范圍內信號指向明顯，測向效果良好；4）在與發(fā)射機信號源形成的±60°夾角范圍以外，接收信號能力急劇下降，通過上述實測數(shù)據(jù)表明接收機方向指向明確；5）與發(fā)射機信源成垂直即±90°、反向180°夾角下，只有部分因周圍山體反射而接收到的部分小的信號之外都是無信號狀態(tài)，符合方向性設計要求；6）在無障礙條件下，信標發(fā)射機測向功能效果明顯，在1.2km距離下，對應最大幅值3.63V，在接收天線接收角度之外，幅值下降明顯，具有良好的方向性。

圖13中的數(shù)據(jù)曲線表明，信標發(fā)射機部分被沙土阻擋時：1）手持機接收到的信號強度明顯減弱，在800m 的距離下測向定位幅值逐漸恢復；2）附近障礙物對信標發(fā)射機的影響比較大，其接收幅值、測向距離都受到了不同程度的影響。

4 結論

本文設計了基于無線電測向技術的新型抗沖擊彈載記錄儀信標。該信標在傳統(tǒng)GPS、GPRS及北斗衛(wèi)星定位受限時，能有效指示記錄儀方位，測向定位效果良好，并能快速回收彈載記錄儀。仿真及現(xiàn)場模擬試驗，驗證了信標發(fā)射機的抗沖擊性和高效的測向性能，為以后記錄儀搜尋提供了新的方法。擬將無線電測向和其他搜尋方法結合，應用效果可能更好，對于實際應用還有待進一步研究。

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