無人飛行器擴(kuò)頻角跟蹤技術(shù)研究與應(yīng)用

趙呈哲，何源潔

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)可以工作在負(fù)信噪比下，信號淹沒在噪聲中，因此具有很高的隱蔽性、抗干擾性、抗多徑和抗截獲的能力，在無人飛行器測控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。單通道單脈沖角跟蹤技術(shù)因其技術(shù)優(yōu)點，同樣廣泛應(yīng)用于飛行器測控領(lǐng)域。如何直接利用當(dāng)前的擴(kuò)頻技術(shù)和跟蹤技術(shù)，在不降低系統(tǒng)指標(biāo)的前提下，實現(xiàn)對角度誤差信號的提取，準(zhǔn)確、及時地完成對飛行目標(biāo)的測角跟蹤，是無人飛行器測控系統(tǒng)需要解決的一個問題。

1 擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)組成

對于單通道單脈沖跟蹤體制，地面多喇叭定向天線和差網(wǎng)絡(luò)輸出一對方位、俯仰誤差信號和和信號。射頻誤差信號和地面跟蹤接收機輸出的一對正交低頻方波信號在地面站信道雙工器內(nèi)，完成0/π調(diào)制，然后與和信號耦合，再經(jīng)過下變頻，送給地面跟蹤接收機，進(jìn)行角誤差的解算［1］。

地面跟蹤接收機首先需要完成對偽隨機碼的解擴(kuò)，之后是方位、俯仰角誤差信號的同步解調(diào)，最后將解算出的數(shù)字角誤差組幀，輸出給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)對飛行器的跟蹤測角，從而保證測控鏈路的暢通。擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)組成

2 原理分析

在單通道擴(kuò)頻跟蹤接收通道中，和路信號表示為［2］:

式中，V∑為和路信號強度;ωc為載波角頻率;φ0為信號初相;n∑為和路的噪聲分量;c(t)為擴(kuò)頻偽隨機碼序列;m(t)為調(diào)制數(shù)據(jù)。

誤差信號表示為:

式中，VA、VE分別為對V∑的歸一化方位、俯仰角誤差電壓;nA、nE分別為方位、俯仰支路的噪聲分量。

2路差信號經(jīng)過0/π調(diào)制，與和信號耦合，形成單通道的復(fù)合信號:

復(fù)合信號經(jīng)低噪聲放大、下變頻和放大濾波后，信號的中心頻率變?yōu)棣?，噪聲為窄帶高斯噪聲，信號表達(dá)式如下:

式中，D(t)和D(t+90°)為正交的低頻方波信號;nc(t)、ns(t)為帶限白高斯噪聲的同相和正交分量，雙邊功率譜密度為n0/2。

然后進(jìn)入相關(guān)解擴(kuò)單元，解擴(kuò)后變?yōu)?

經(jīng)載波跟蹤后I支路輸出信號為:

由于低頻方波信號，頻率一般為1 kHz左右，遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)速率，因此，角誤差信息仍然保留在解擴(kuò)后的信號中。將解調(diào)后的遙測基帶信號m(t)與跟蹤后的I支路信號再相乘，去掉數(shù)據(jù)得到:

再分別與本地D(t)、D(t+90°)同步處理，經(jīng)低通濾波后得:

利用信號能量歸一化得:

式中，PAO、PEO即為跟蹤系統(tǒng)的角誤差信號。

3 解決方案

3.1 擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)問題分析

考慮無人飛行器測控系統(tǒng)角跟蹤的應(yīng)用條件，地面跟蹤天線首先需要對目標(biāo)進(jìn)行搜索，捕獲到飛行器的無線電遙測信號，同時地面跟蹤接收機解算出角誤差，輸出給伺服設(shè)備，然后才能切換到無線電的自跟蹤狀態(tài)，實現(xiàn)地面跟蹤天線對飛行器的閉環(huán)跟蹤。

這種特殊的應(yīng)用環(huán)境，對于擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)，就需要地面跟蹤接收機在天線主波束掃過飛行器的極短時間內(nèi)，完成對偽碼的捕獲、跟蹤并解算出角度誤差電壓，實現(xiàn)無線電跟蹤環(huán)路的閉環(huán)跟蹤。因此，地面跟蹤接收機需要對擴(kuò)頻信號實現(xiàn)快速捕獲和解擴(kuò)。

對于較短偽隨機碼的擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)，傳統(tǒng)的偽碼相位滑動解擴(kuò)所需的時間也不長，可以滿足跟蹤系統(tǒng)對地面跟蹤接收機的時延要求［3］。然而，隨著擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)中長偽隨機碼的選用，使得滑動相關(guān)解擴(kuò)需要的時間變長。因此，對于擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)，偽碼的捕獲、跟蹤處理應(yīng)當(dāng)考慮其他的方式。

下面給出應(yīng)用實例。信息傳輸速率20.48 kbps;信號形式:BPSK;偽隨機碼:256位平衡GOLD碼;偽碼速率:5.242 88 Mcps。地面跟蹤天線采用工程中常用的C波段車載1.8 m余割平方賦形天線。天線波束3°，伺服機構(gòu)的最大轉(zhuǎn)動角速度為50°/s。地面跟蹤天線掃過半個波束時需要的最短時間為:

通常，地面跟蹤天線應(yīng)該在掃過飛行目標(biāo)的半個波束內(nèi)完成閉環(huán)跟蹤，因此，地面跟蹤接收機輸出數(shù)字角誤差幀的時延必須小于0.03 s。考慮到跟蹤接收機誤差信號的解算同樣也需要一定的時間，就需要對擴(kuò)頻信號實現(xiàn)快速解擴(kuò)。

對于解擴(kuò)系統(tǒng)，為了使得系統(tǒng)能夠在信噪比較低的情況下完成對擴(kuò)頻信號的解擴(kuò)，在解擴(kuò)程序部分，中頻能量累積之后增加了多倍的視頻累積，進(jìn)行信號的搜索、捕獲判決，以提高解擴(kuò)的靈敏度。均衡考慮性能的提升和硬件資源的消耗，選取8倍視頻能量累積。

傳統(tǒng)的解擴(kuò)系統(tǒng)采用偽碼滑動捕獲的設(shè)計方法，如圖2所示。通過調(diào)整偽碼發(fā)生器，遍歷偽碼的所有相位，從而實現(xiàn)對擴(kuò)頻信號的捕獲［4］。

對于傳統(tǒng)的偽碼滑動解擴(kuò)，解擴(kuò)的時延主要在偽碼的搜索階段，以搜索一個偽碼周期，8倍視頻累計為例，完成解擴(kuò)所需要的時間可以近似為:

從時間上看，不考慮誤差電壓的解算，僅僅完成解擴(kuò)所需要的時間0.1 s，已經(jīng)遠(yuǎn)大于地面跟蹤天線掃過半個波束所需要的時間0.03 s。這樣，就會發(fā)生地面跟蹤天線搜索到飛行器時，誤差電壓確還沒有正常輸出，從而丟失目標(biāo)。因此，需要重新考慮解擴(kuò)的信號處理方式，以降低解擴(kuò)部分的處理時延。

圖2 偽碼串行搜索捕獲原理

3.2 快速解擴(kuò)方案

考慮解擴(kuò)部分的時延主要在偽碼的搜索階段，為了降低該處的時延，同時考慮硬件資源的消耗，選取偽碼相位部分并行搜索的方式。偽碼相位部分并行搜索捕獲原理如圖3所示。

圖3 偽碼部分并行搜索捕獲原理

例如，采用8路相位并行搜索的方式，8個支路的相位分別為 PN0、PN1、…、PN7;PN8、PN9、…、PN15;…;PN248、PN249、…、PN255。偽碼時鐘每調(diào)整一次，地面跟蹤接收機可以同時完成8個支路偽碼相位的并行處理，因此，搜索階段所占用的時間為相位串行滑動的1/8。完成解擴(kuò)處理所需要的時間可以近似為256/20 480=0.012 5 s。因此平均解擴(kuò)時間約為0.012 5 s。

3.3 角誤差解算

對解擴(kuò)后的信號進(jìn)行角誤差電壓的解算如圖4所示。解擴(kuò)后的對準(zhǔn)支路I(k)和Q(k)數(shù)據(jù)，先進(jìn)行相關(guān)運算，消除掉數(shù)據(jù)和頻偏對誤差電壓的影響，然后積分抽取，對能量歸一化，濾波，除去低頻方波，最后再濾波，解算出角度誤差電壓U(e)［5］。

誤差電壓解算程序，除了最后一級的n級FIR濾波器，其他的處理的時鐘都在幾十kHz，故誤差電壓解算的處理時延都集中到最后一級低通濾波器［6］。通常這一級低通濾波器的處理時鐘為10 kHz，n一般選取64，故誤差電壓解算的處理延時約為:

整個擴(kuò)頻角跟蹤接收機誤差電壓解算的時延為:

小于0.03 s的地面跟蹤天線掃過半個波束需要的最短時間。

圖4 角誤差電壓解算

4 結(jié)束語

通過在不同信噪比下對地面跟蹤接收機解擴(kuò)鎖定時間的觀察可以看出，采用偽碼相位部分并行搜索，使得解擴(kuò)鎖定的時間與傳統(tǒng)滑動解擴(kuò)相比有了顯著降低，而同時解擴(kuò)的靈敏度沒有受到影響。目前，單通道單脈沖擴(kuò)頻角跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于多個工程中。在外場飛行過程中，角跟蹤系統(tǒng)表現(xiàn)良好，性能穩(wěn)定、可靠。

［1］李瑞榜.擴(kuò)頻信號跟蹤測角技術(shù)研究［J］.無線電工程，2004，34(1):31 －32.

［2］王麗韞，文運豐.直擴(kuò)信號跟蹤測角技術(shù)研究［J］.無線電工程，2005，35(5):36 －38.

［3］耿 炎.基于直擴(kuò)頻技術(shù)的角跟蹤設(shè)計與實現(xiàn)［J］.無線電工程，2008，38(10):47 －49.

［4］查光明，熊賢祚.擴(kuò)頻通信［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1990.

［5］李瑞榜.地空高速數(shù)據(jù)鏈跟蹤測角技術(shù)研究［J］.無線電工程，2005，35(2):23 －25.

［6］丁玉美，高西全.數(shù)字信號處理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.